阅读说明：本技术 一种硫化锌薄膜的制备方法及具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管 (Preparation method of zinc sulfide thin film and thin film transistor with zinc sulfide thin film ) 是由 张猛 闫岩 郭海成 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：一种硫化锌薄膜的制备方法及具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管,其中硫化锌薄膜的制备方法包括：将溅射目标物放置于溅射腔体内的托盘中,将硫化锌的作为溅射靶材放置于溅射腔体内的RF电源上,该溅射腔体的两根气源管路分别连接Ar气源和H<Sub>2</Sub>S气源,溅射腔体的出气管连接真空泵；在Ar气源和H2S气源关闭的情况下,通过真空泵使溅射腔体的腔体真空小于1x10<Sup>-8</Sup>Torr。通过本发明的制备方法制备的硫化锌薄膜具有很好的透明性和稳定性,并且通过控制不同气氛退火,可实现不同薄膜的导电率,基于此硫化锌薄膜的薄膜晶体管可展现出良好的器件性能,迁移率大于1cm<Sup>2</Sup>/V·s且开关比大于10<Sup>4</Sup>,所制备的硫化锌薄膜晶体管可以用在AMLCD、AMOLED和Micro-LED等像素电路中,成本低廉,稳定性好。(A preparation method of a zinc sulfide thin film and a thin film transistor with the zinc sulfide thin film are provided, wherein the preparation method of the zinc sulfide thin film comprises the following steps: placing a sputtering target object in a tray in a sputtering cavity, placing zinc sulfide as the sputtering target object on an RF power supply in the sputtering cavity, wherein two gas source pipelines of the sputtering cavity are respectively connected with an Ar gas source and an H gas source 2 S, an air outlet pipe of the sputtering cavity is connected with a vacuum pump; under the condition that the Ar gas source and the H2S gas source are closed, the vacuum pump is used for ensuring that the cavity vacuum of the sputtering cavity is less than 1x10 ‑8 And (5) Torr. The zinc sulfide film prepared by the preparation method has good transparency and stability, and different atmospheres are controlledAnnealing can realize the conductivity of different films, and the thin film transistor based on the zinc sulfide film can show good device performance and has the mobility of more than 1cm 2 V.s and a switching ratio of more than 10 4 The prepared zinc sulfide thin film transistor can be used in pixel circuits such as AMLCD, AMOLED, Micro-LED and the like, and has low cost and good stability.)

一种硫化锌薄膜的制备方法及具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管的制作技术领域，具体涉及一种硫化锌薄膜的制备方法及具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管。

背景技术

薄膜晶体管(TFT)是显示器的关键元件，最新的显示技术，如液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)，几乎都是采用有源矩阵驱动方法，这可以实现全彩和高分辨率，大大减少了串扰，而TFT则是有源矩阵驱动显示器的基本元件。

在传统的有源矩阵驱动显示器中，由于非晶硅(a-Si)TFT具有加工温度低、均匀性好、制造成本低等优点而被采用。然而，a-Si TFT的场效应迁移率很低，限制了显示性能。另外，多晶硅(poly-Si)是近年来发展起来的一种高迁移率TFT材料，多晶硅TFT可以使像素的开口率更大，从而提高光的利用率，降低功耗。然而多晶硅TFT器件的均匀性较差，难以用于大面积显示。此外，制造成本也变得更高。

近年来，金属氧化物TFT被广泛应用，尤其是铟镓锌氧化物(IGZO)TFT。该金属氧化膜可在室温下制备，同时在可见光下是透明的，与a-Si TFT以及多晶硅TFT相比，金属氧化物TFT的制备温度适中。然而金属氧化物TFT相当不稳定的，对水分和光非常敏感，以及使用同种材料作为沟道，极难获得n型和p型两种器件，而且金属铟的价格每年都在上涨，这些因素都限制了其在显示器领域的大规模应用。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种硫化锌薄膜的制备方法及具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管。

为实现上述目的，本发明提供了一种硫化锌薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

将溅射目标物放置于溅射腔体内的托盘中，将硫化锌的作为溅射靶材放置于溅射腔体内的RF电源上，该溅射腔体的两根气源管路分别连接Ar气源和H₂S气源，溅射腔体的出气管连接真空泵；

在Ar气源和H2S气源关闭的情况下，通过真空泵使溅射腔体的腔体真空小于1x10^{- 8}Torr；

在Ar气源总阀关闭的情况下，打开Ar气源的气源管路，在第一预设时间内通入Ar气体，然后关闭Ar气源的气源管路，继续通过真空泵进行抽真空处理，使溅射腔体的腔体真空小于1x10^-8Torr；

在H₂S气源总阀关闭的情况下，打开H₂S气源的气源管路，在第二预设时间内通入H₂S气体，然后关闭H₂S气源的气源管路，继续通过真空泵进行抽真空处理，使溅射腔体的腔体真空小于1x10^-8Torr；

RF电源接通，使硫化锌在真空环境下溅射到溅射目标物上并形成硫化锌薄膜。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述溅射腔体内于所述硫化锌的溅射还设置有挡板，所述挡板用于避免初始状态的硫化锌薄膜溅射到目标衬底上，硫化锌薄膜溅射生成的厚度为60nm。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一预设时间和所述第二预设时间均为至少一分钟。

作为本发明的进一步优选技术方案，溅射过程中，所述RF电源的功率为120W。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管，所述薄膜晶体管内设有由上述任一项所述方法生成的硫化锌薄膜，以将所述硫化锌薄膜作为薄膜晶体管的有源层。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述硫化锌薄膜生成后通过图形化处理后形成所述有源层。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述薄膜晶体管具有底栅型和顶栅型两种结构；

当薄膜晶体管为底栅型时，所述硫化锌薄膜以薄膜晶体管的栅氧化层作为溅射目标物通过溅射生成，由硫化锌薄膜形成的有源层位于薄膜晶体管的栅氧化层与钝化层之间，所述薄膜晶体管的源接触电极和漏接触电极分别连接至有源层；

当薄膜晶体管为顶栅型时，所述硫化锌薄膜以薄膜晶体管的缓冲绝缘层作为溅射目标物通过溅射生成，由硫化锌薄膜形成的有源层位于薄膜晶体管的缓冲绝缘层栅氧化层之间，所述薄膜晶体管的源接触电极和漏接触电极分别连接至有源层。

本发明的硫化锌薄膜的制备方法及具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管，通过其制备工艺，可以实现硫化锌薄膜的制备，其硫化锌薄膜具有很好的透明性和稳定性，并且通过控制不同气氛退火，可实现不同的薄膜的导电率，基于此硫化锌薄膜的薄膜晶体管可以展现出良好的器件性能，迁移率大于1cm²/V·s且开关比大于10⁴，所制备的硫化锌薄膜晶体管可以用在AMLCD、AMOLED和Micro-LED等像素电路中，具有成本低廉稳定性好等优点。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明硫化锌薄膜的制备方法提供的一实例的方法流程图；

图2为底栅型薄膜晶体管的横截面结构示意图；

图3为底栅型薄膜晶体管的在不同Vds下的转移曲线图；

图4为底栅型薄膜晶体管的在不同Vgs下的输出曲线图；

图5为顶栅型薄膜晶体管的横截面结构示意图；

图6为顶栅型薄膜晶体管的在不同Vds下的转移曲线图；

图7为顶栅型薄膜晶体管的在不同Vgs下的输出曲线图。

图中：101、衬底，102、栅极，103、栅氧化层，104、有源层，105、钝化层，106、漏端接触电极，107、源端接触电极；

201、衬底，202、栅极，203、氧化层，204、有源层，205、钝化层，206、漏端接触电极，207、源端接触电极，208、漏电极pad，209、栅电极pad，210、源电极pad。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，硫化锌薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1001，将溅射目标物放置于溅射腔体内的托盘中，将硫化锌的作为溅射靶材放置于溅射腔体内的RF电源上，该溅射腔体的两根气源管路分别连接Ar气源和H₂S气源，溅射腔体的出气管连接真空泵；

该步骤1001为准备阶段，其中，溅射腔体为密闭空间，Ar气源的流量为20sccm，H₂S气源的流量为1sccm。

步骤1002，在Ar气源和H2S气源关闭的情况下，通过真空泵使溅射腔体的腔体真空小于1x10^-8Torr；

步骤1003，在Ar气源总阀关闭的情况下，打开Ar气源的气源管路，在第一预设时间内通入Ar气体，然后关闭Ar气源的气源管路，继续通过真空泵进行抽真空处理，使溅射腔体的腔体真空小于1x10^-8Torr；

该步骤1003中，是为了避免Ar气路中有残余的污染气体，同时通入Ar气源可将气路中的污染气体通过抽真空排出。

步骤1004，在H₂S气源总阀关闭的情况下，打开H₂S气源的气源管路，在第二预设时间内通入H₂S气体，然后关闭H₂S气源的气源管路，继续通过真空泵进行抽真空处理，使溅射腔体的腔体真空小于1x10^-8Torr；

该步骤1004中，是为了避免H₂S气路中有残余的污染气体，同时通入H₂S气源可将气路中的污染气体通过抽真空排出。

步骤1005，RF电源接通，使硫化锌在真空环境下溅射到溅射目标物上并形成硫化锌薄膜。

该步骤1005中，RF电源的所选用功率为120W，同时需保证密闭的溅射腔体内的腔体真空足够的低，如果腔体真空大于1x10^-8Torr，则溅射生成的硫化锌薄膜中会掺杂ZnO。

具体实施中，所述溅射腔体内于所述硫化锌的溅射还设置有挡板，所述挡板用于避免初始状态的硫化锌薄膜溅射到目标衬底上，硫化锌薄膜溅射生成的厚度为60nm。

具体实施中，所述第一预设时间和所述第二预设时间均为至少一分钟，当然，可以根据具体情况合理调整时间。

本发明的硫化锌薄膜的制备方法，通过其制备工艺，可以实现硫化锌薄膜的制备，其硫化锌薄膜具有很好的透明性和稳定性，并且通过控制不同气氛退火，可实现不同的薄膜的导电率，从而更好应用于薄膜晶体管内，使得薄膜晶体管具有很稳定的工作特性。

本发明还提供了一种具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管，所述薄膜晶体管内设有由上述任一项所述方法生成的硫化锌薄膜，以将所述硫化锌薄膜作为薄膜晶体管的有源层。

具体实施中，所述硫化锌薄膜生成后通过图形化处理后形成所述有源层。

具体实施中，所述薄膜晶体管具有底栅型和顶栅型两种结构；

当薄膜晶体管为底栅型时，如图2所示，底栅型的薄膜晶体管包括衬底101、栅极102、栅氧化层103、硫化锌薄膜、钝化层105、漏接触电极和、源接触电极，所述硫化锌薄膜以薄膜晶体管的栅氧化层103作为溅射目标物通过溅射生成，由硫化锌薄膜形成的有源层104位于薄膜晶体管的栅氧化层103与钝化层105之间，所述薄膜晶体管的源接触电极和漏接触电极分别连接至有源层104；

底栅型的薄膜晶体管的制备过程如下：

步骤S101、在所选用的衬底101上生长一层材质为二氧化硅的缓冲绝缘层；

步骤S101中，所选用的衬底101为硅衬底101、玻璃衬底101或石英衬底101；二氧化硅通过直接热氧化生成缓冲绝缘层，或者通过低压力化学气相沉积(LPCVD方法)的方法或等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)的方法生成缓冲绝缘层；缓冲绝缘层的厚度为100nm至1000nm。

步骤S102、在所述缓冲绝缘层上淀积一层金属薄膜，并对所述金属薄膜进行图形化处理，以形成薄膜晶体管的栅极102，然后在所述栅极102上生长一层包覆所述栅极102以用于绝缘的栅氧化层103；

步骤S102中，金属薄膜由材料为Al、Mo、Ti或ITO的金属材料通过直流溅射生成，厚度为100nm；

具体实施中，金属薄膜的图形化处理包括以下步骤：

首先于生成好的金属薄膜表面涂上一层光刻胶，然后通过曝光机把掩模版上的预设的栅极102图像转移至光刻胶上，通过显影，去掉未曝光部分的光刻胶；然后在120摄氏度的炉中烘烤10分钟；接着通过湿法刻蚀或者干法刻蚀去除未曝光部分的金属薄膜部分；最后刻蚀完成后，剩余的光刻胶通过O2等离子体去除。

栅氧化层103由SiO2、SiNX或high-k的材料通过等离子体增强化学的气相沉积方法(LPCVD)的生成，厚度为100nm。

步骤S103、通过溅射在所述栅氧化层103上生长一层硫化锌薄膜，并对所述硫化锌薄膜进行图形化处理，以形成薄膜晶体管的有源层104；

步骤S104、当有源层104的图形化处理结束之后，立刻淀积一层包覆所述有源层104的钝化层105，并于所述钝化层105上开设贯穿至所述有源层104的通孔；

步骤S104中，钝化层105由SiO2、SiNx或Al2O3的材料通过等离子体增强化学的气相沉积方法(PECVD)生产，厚度为100nm；在钝化层105上涂一层光刻胶，然后通过曝光机把开孔图形转移到光刻胶上，然后显影；接着在120摄氏度的炉子中烘10分钟；最后通过干法刻蚀刻出通孔，并将剩余的光刻胶通过O2等离子去除。

步骤S105、在通孔内分别淀积金属，并对各淀积的金属进行图形化处理，以形成漏端接触电极106和源端接触电极107。

通孔内淀积的金属由Al、Mo、Ti、Au、Ag或ITO的材料通过溅射生产，厚度为150nm；淀积的金属层上涂一层光刻胶，然后通过曝光机把预设的图案转移到光刻胶上，然后显影；在120摄氏度的炉子中烘10分钟；通过干法刻蚀刻出接触电极，并将剩余的光刻胶通过O2等离子去除。

本发明的硫化锌薄膜具有很好的透明性和稳定性，并且通过控制不同气氛退火，可实现不同的薄膜的导电率，基于此硫化锌薄膜的薄膜晶体管可以展现出良好的器件性能，底栅型硫化锌薄膜晶体管的转移曲线图参阅图3所示，底栅型硫化锌薄膜晶体管的输出曲线图参阅图4所示，从图3和4中可看出，器件工作正常，迁移率大于1cm²/V·s且开关比大于10⁴，所制备的硫化锌薄膜晶体管可以用在AMLCD、AMOLED和Micro-LED等像素电路中，具有成本低廉稳定性好等优点。

当薄膜晶体管为顶栅型时，如图5所示，顶栅型的薄膜晶体管包括衬底201、栅极202、栅氧化层203、ZnS薄膜、钝化层205、漏接触电极206、源接触电极207、漏电极pad208、栅电极pad209、源电极pad210，所述硫化锌薄膜以薄膜晶体管的缓冲绝缘层作为溅射目标物通过溅射生成，由硫化锌薄膜形成的有源层204位于薄膜晶体管的缓冲绝缘层栅氧化层203之间，所述薄膜晶体管的源接触电极207和漏接触电极206分别连接至有源层204。

底栅型的薄膜晶体管的制备过程如下：

步骤S201、在所选用的衬底201上生长一层材质为二氧化硅的缓冲绝缘层；

步骤S202、通过溅射在所述缓冲绝缘层上生长一层硫化锌薄膜，并对所述硫化锌薄膜进行图形化处理，以形成薄膜晶体管的有源层204；

步骤S203、在所述有源层204的两端分别淀积金属，并对淀积的金属进行图形化处理，以形成接触电极；

两个接触电极分别为漏端接触电极206和源端接触电极207；

步骤S204、在漏端接触电极和源端接触电极之间的有源层204上生长一层用于绝缘的栅氧化层203，所示栅氧化层203上淀积一层金属薄膜，并对所述金属薄膜进行图形化处理，以形成薄膜晶体管的栅极202；

步骤S205、淀积一层包覆于漏端接触电极206、源端接触电极207、栅氧化层203和栅极202***的钝化层205，并于所述钝化层205上开设分别贯穿至漏端接触电极206和源端接触电极207的漏电极pad208通孔和源电极pad210通孔，以及贯穿至栅极202的栅电极pad209通孔；

步骤S206、在漏电极pad208通孔、源电极pad210通孔和栅电极pad209通孔内分别淀积金属，并对各淀积的金属进行图形化处理，以形成漏电极pad208和源电极pad210，以及栅电极pad209。

本发明的硫化锌薄膜具有很好的透明性和稳定性，并且通过控制不同气氛退火，可实现不同的薄膜的导电率，基于此硫化锌薄膜的薄膜晶体管可以展现出良好的器件性能，顶栅型具有硫化锌薄膜的薄膜晶体管的转移曲线图参阅图6所示，底栅型硫化锌薄膜晶体管的输出曲线图参阅图7所示，从图6和7中可看出，器件工作正常，并且ON/OFF ratio＞10000，即迁移率大于1cm²/V·s且开关比大于10⁴，所制备的硫化锌薄膜晶体管可以用在AMLCD、AMOLED和Micro-LED等像素电路中，具有成本低廉稳定性好等优点。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。