[发明专利]一种氧化铝薄膜及制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管领域，尤其涉及一种作为薄膜晶体管栅介质的氧化铝薄膜的制备方法，还涉及该制备方法制备的氧化铝薄膜，以及应用该氧化铝薄膜的薄膜晶体管。

背景技术

通常把半导体导电能力随电场变化的现象称作“场效应”。薄膜晶体管（TFT）是在绝缘衬底上沉积薄膜型的半导体替代通常使用的单晶体相半导体而制作的一种场效应晶体管。薄膜晶体管不使用单晶衬底，可大面积制备，因而在平板显示等大面积电子器件领域得到了广泛的应用。图1为常见薄膜晶体管器件结构原理图。

随着集成电路中晶体管特征尺寸的迅速减小，目前薄膜晶体管栅介质的厚度已经减小到了纳米量级。使用高k（介电常数）材料替代最常用的SiO₂是目前最有希望实现低漏电性、高绝缘性、超薄透明性等问题的途径。高k材料的使用,可以避免出现在超薄SiO₂中的隧穿导致的漏电流问题，提高薄膜晶体管的可靠性和灵敏性。为维持半导体产业继续依摩尔定律(即尺寸缩小定律)向前发展,高k栅介质已经成为当前的一个研究热点。

氧化铝是一种非常理想的高k栅介质材料，具有原材料易得、储量丰富，介电常数（6到10之间）适合，成膜性优异，透明度好（带隙为8.9eV），绝缘性能优异（几十纳米厚度的氧化铝即可实现较好的绝缘性能），具有多种可选制备方法等优点。目前在薄膜晶体管中应用的氧化铝绝缘层大多需要依托真空技术来制备，最常见的制备方法为射频磁控溅射法。这种需要大型真空设备的制备方法大大的增加了氧化铝薄膜制备的成本，增加了大尺寸制备电子器件以及显示设备的难度和可行性，增加了相关生产制备的能耗。因此，人们开始研究采用溶液方法制备氧化铝薄膜，溶液法包括旋转涂布法，喷墨打印法，热喷涂分解法，浸渍提拉法等。

现有技术中公开了一种旋涂Al₂O₃作为栅介质层的ZnGaO和ZnGaLiO晶体管（High mobility and low operating voltage ZnGaO and ZnGaLiO transistors with spin-coated Al₂O₃ as gate dielectric，J.Phys.D:Appl.Phys.43（2010）442001），该现有技术中作为栅介质层的Al₂O₃薄膜制备方法如下：将水合硝酸铝溶解在乙二醇单甲醚中形成前驱体溶液，通过旋转涂布法将前驱体溶液形成薄膜，然后在600℃下对薄膜进行退火形成Al₂O₃薄膜。该现有技术通过旋涂的溶液法制得作为栅介质层的Al₂O₃薄膜，能够克服射频磁控溅射法的缺点，但是该制备方法的热处理温度较高，而热处理温度的高低直接影响到氧化铝薄膜的应用范围：晶体管的栅介质层是形成在基底上，为了制备透明的薄膜晶体管，基底需要采用透明的玻璃或者塑料材质，当制备柔性透明的薄膜晶体管时，则只能采用塑料材质的基底，玻璃的软化点约500℃，塑料的软化点约在200℃，当热处理温度高于500℃时，则不能选择玻璃或者塑料基底，从而无法制备透明的薄膜晶体管；当热处理温度高于200℃时，则不能选择塑料基底，从而无法制备柔性透明的薄膜晶体管。而如果采用该现有技术的制备方法直接降低热处理温度将使氧化铝薄膜制品的介电常数降低，从而使制得的氧化铝薄膜形成的栅介质层无法起到很好的绝缘性能，不能制备出高性能的薄膜晶体管。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术中溶液法制备Al₂O₃薄膜的方法中热处理温度较高使薄膜应用受到限制、而直接降低热处理温度又会影响薄膜性能的问题，进而提供一种通过溶液法制备作为薄膜晶体管栅介质层的氧化铝薄膜的方法。为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种氧化铝薄膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备铝前驱体溶液

将含有铝金属离子的前驱体材料和稳定剂溶解于溶剂中，充分搅拌使其充分溶解，得到前驱体溶液；

（2）制备氧化铝薄膜

将步骤（1）制备的反应溶液在涂布面上涂布成膜，经热处理程序得到氧化铝薄膜。

所述稳定剂为一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、柠檬酸、乙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚、丁二醇单甲醚、乙二醇、甘油、丙二醇中的一种或几种。

所述含有铝金属离子的前驱体材料选自以下材料的一种或几种：