專利名稱：一種基于金屬氧化物的薄膜晶體管及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管的制備方法。尤其涉及一種金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管柵極絕緣層的制備方法。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管(TFT)目前主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示器(LCD)和有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED)顯示器的子像素。采用薄膜晶體管陣列制成的驅(qū)動(dòng)背板，是顯示屏能實(shí)現(xiàn)更高的像素密度、開(kāi)口率和提升亮度的關(guān)鍵部件。目前TFT-LCD普遍采用基于非晶硅作為有源層的 TFT背板。但是由于非晶硅遷移率過(guò)低(0.1cm2 V4iT1左右)，不能滿足OLED顯示屏、高清 TFT-LCD以及3D顯示的要求。而金屬氧化半導(dǎo)體作為薄膜晶體管的有源層材料，由于其高遷移率，低沉積溫度以及透明的光學(xué)特性被視為下一代的顯示背板技術(shù)。目前已吸引了世界范圍內(nèi)研究者得關(guān)注。高遷移率的特點(diǎn)使其能夠滿足未來(lái)顯示技術(shù)對(duì)于高頻率、大電流薄膜晶體管的要求。而低于100°C的工藝溫度，使得利用金屬氧化制備柔性顯示器件成為可能。目前，基于金屬氧化半導(dǎo)體薄膜晶體管的柵極絕緣層制作主要有三種方法。1.化學(xué)氣相沉積；2.物理氣相沉積；3.原子層沉積；其中化學(xué)氣相沉積主要是使用等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)制備SiNx、Si&薄膜。但是PECVD為高溫工藝(> 250°C )，并且所生長(zhǎng)的絕緣薄膜質(zhì)量較差，影響薄膜晶體管的性能。而物理氣相沉積設(shè)備(PVD)雖然可以在室溫沉積Si02、SiNx、A10x等絕緣薄膜，但是同樣存在絕緣薄膜質(zhì)量較差的因素。同時(shí)，PVD生長(zhǎng)絕緣薄膜，無(wú)論是使用射頻濺射或是反應(yīng)濺射，其薄膜的沉積速率較慢，在實(shí)際生產(chǎn)中較難應(yīng)用。原子層沉積(ALD)可以制備々1203、513隊(duì)、5102等常規(guī)絕緣層，同時(shí)還可制備!1 )2、 La2O3等具有高介電常數(shù)的絕緣薄膜。由于ALD工藝在每個(gè)周期內(nèi)可精確地沉積一個(gè)原子層，因此能生長(zhǎng)高質(zhì)量、無(wú)針孔的薄膜。但是，由于ALD單原子層沉積的生長(zhǎng)方式，導(dǎo)致薄膜沉積速率過(guò)慢，并且大尺寸化非常困難。因此在顯示背板的制作中很難使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種薄膜晶體管的制備方法。尤其涉及金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管柵極絕緣層制備，以及通過(guò)改變柵極絕緣層制備條件改進(jìn)薄膜晶體管電學(xué)性能的方法。本發(fā)明的另一目的是提供上述方法制備的晶體管及該晶體管的應(yīng)用。一種基于金屬氧化物的薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟(1)在透明襯底上沉積SW2或SiNx作為緩沖層；(2)在上述緩沖層上沉積金屬單質(zhì)或金屬合金單層薄膜，并且圖形化形成柵極金
屬層；(3)使用陽(yáng)極氧化的方法，在柵極金屬層上制備一層絕緣膜作為柵絕緣層，其中柵極金屬層中不需要沉積氧化膜的部分使用光刻膠進(jìn)行保護(hù)；
(4)陽(yáng)極氧化完畢后將光刻膠去除；(5)使用刻蝕方法將薄膜晶體管中不需要的金屬引線去除；(6)在柵絕緣層上采用物理氣相沉積制備金屬氧化物薄膜，并將金屬氧化物薄膜圖形化，作為薄膜晶體管的有源層；(7)根據(jù)所設(shè)計(jì)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，沉積并圖形化源漏電極、像素電極和保護(hù)層或刻蝕阻擋層。優(yōu)選地，所述柵極金屬層的金屬為Al單質(zhì)薄膜或Al合金單層薄膜。優(yōu)選地，所述Al合金單層薄膜為Al-Si或Al-M，M為堿金屬、堿土金屬、鑭系稀土金屬以及過(guò)渡族金屬。合金摻雜量原子占Al的百分比的調(diào)整范圍為fet. % ％at. %。優(yōu)選地，所述陽(yáng)極氧化的方法是將制備好的柵極基片放入電解溶液中接電源正極，電源負(fù)極接石墨或金屬板放入電解溶液中，通電進(jìn)行處理。優(yōu)選地，所述電解溶液為五硼酸銨、酒石酸氨和水楊酸氨中任意一種或兩種以上的溶液(A)，與乙二醇(B)混合后所得到的溶液。電解液優(yōu)選B+A+去離子水，重量比為 (49 69) 1 (30 50)的混合溶液。優(yōu)選地，使用陽(yáng)極氧化方法制作柵絕緣層時(shí)，通過(guò)選擇不同柵極金屬材料以及合金成分配比，調(diào)節(jié)柵絕緣層中元素組成=AhBxOy，其中A、B分別代表了不同的金屬，
l，y為氧氣的含量。一般根據(jù)不同氧化薄膜，y值并不相同。使用陽(yáng)極氧化方法制備的柵絕緣層時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極金屬元素組成以及選擇不同的氧化電解液，可以改變柵絕緣層的平整性、絕緣特性、介電常數(shù)以及表面態(tài)等物理特性。通過(guò)調(diào)整所述的柵極絕緣層物理特性，可以改善薄膜晶體管中絕緣層與有源層之間的界面態(tài)，進(jìn)而提高薄膜晶體管的遷移率、閾值電壓、穩(wěn)定性等電學(xué)特性。優(yōu)選地，所述有源層的半導(dǎo)體材料是金屬氧化物(In2O3)x (MO)y (SiO)z，其中0 ( χ、 y、z彡1，且x+y+z = 1，M為feu Sn、Si、Al、Mg、^ 或Re元素，Re為L(zhǎng)a系稀土金屬；所述金屬氧化物一般為 h-Zn-0、Sn-Zn-0, In-Zn-Al-0, In-Zn-Ga-0, In-Zn-Zr-O 等多元金屬氧化物半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，所述保護(hù)層或刻蝕阻擋層的材料為Si02、SiNx, AlOx、聚酰亞胺(PI)、光刻膠、苯丙環(huán)丁烯(BCB)、丙烯酸(acrylic)。優(yōu)選地，所述源漏電極為Al、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo或ITO的單層或多層導(dǎo)電薄膜。優(yōu)選地，所述像素電極采用ITO薄膜、高導(dǎo)的IZO薄膜或者ZTO薄膜。優(yōu)選地，所述透明襯底為玻璃材質(zhì)或者塑料柔性材料；所述緩沖層厚度為50nm 300nm，主要起到平整透明襯底，隔絕襯底中雜質(zhì)的影響。柵極金屬層厚度為120nm 500nm,柵絕緣層的厚度為80nm 300nm，有源層為30nm lOOnm，保護(hù)層為200nm 3000nm，刻蝕阻擋層為IOOnm 500nm，源漏電極的厚度為IOOnm 300nm。上述方法中的圖形化方法一般采用濕法刻蝕、干法刻蝕和光刻膠剝離以上三種方法。上述方法中無(wú)機(jī)薄膜一般采用化學(xué)等離子沉積系統(tǒng)(PECVD)或物理氣相沉積 (PVD)制備。上述方法中所用的有機(jī)薄膜，一般采用旋轉(zhuǎn)涂布(spin coating)或是刮涂(slit coating)兩種方法制備。
上述方法中所述的薄膜晶體管制作工序結(jié)合常規(guī)的半導(dǎo)體工藝，可以實(shí)現(xiàn)薄膜晶體管陣列的制作。本發(fā)明所述的薄膜晶體管適用于液晶顯示器以及主動(dòng)有機(jī)放光二極管顯示屏的驅(qū)動(dòng)面板。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)首次使用陽(yáng)極氧化方法制備柵極絕緣層，用于金屬氧化薄膜晶體管器件的制作，并公開(kāi)了器件結(jié)構(gòu)以及制作方法。陽(yáng)極氧化方法可以制備得到高質(zhì)量的柵極絕緣層薄膜。并且對(duì)成膜環(huán)境無(wú)特殊要求，在大氣、常溫環(huán)境中即可實(shí)現(xiàn)柵絕緣層沉積。(2)當(dāng)陽(yáng)極氧化方法制備柵極絕緣層時(shí)，可通過(guò)對(duì)柵金屬成分的調(diào)節(jié)以及選擇不同的電解液，可以制備出性能不同的柵極絕緣層介質(zhì)膜。通過(guò)這種方法，可以得到高性能的絕緣層薄膜，能減少絕緣層與金屬氧化物有源層界面的陷阱態(tài)，調(diào)整閾值電壓、并獲得高的遷移率。C3)本發(fā)明使用的陽(yáng)極氧化方法成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)大面積以及大批量生產(chǎn)。該發(fā)明適合于基于金屬氧化物薄膜晶體管的大面積顯示驅(qū)動(dòng)面板的制作，具有重要的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。


圖1.透明基板上沉積緩沖層；圖2.沉積并圖形化金屬層作為薄膜晶體管的柵電極；圖3.使用陽(yáng)極氧化方式在薄膜晶體管的柵極制作柵絕緣層；圖4.沉積并圖形化有源層；圖5.沉積并圖形化源漏電極；圖6.沉積并圖形化保護(hù)層；圖7.沉積并圖形化像素電極并通過(guò)接觸孔與源電極接觸；圖8.透明基板上沉積緩沖層；圖9.沉積并圖形化金屬層作為薄膜晶體管的柵電極；圖10.使用陽(yáng)極氧化方式在薄膜晶體管的柵極制作柵絕緣層；圖11.沉積并圖形化有源層；圖12.沉積并在有源層上形成刻蝕阻擋層；圖13.沉積并圖形化源漏電極；圖14.沉積并圖形化像素電極與源漏電極接觸。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1使用背溝道刻蝕結(jié)構(gòu)(BCE)制備薄膜晶體管的方法(1)如圖1所示，在0. 5mm厚的無(wú)堿玻璃襯底1上使用PECVD沉積200nm厚的SW2 層作為緩沖層2 ；(2)如圖2所示，在緩沖層上，使用Al-Ce (Al Ce = 3at% )的合金靶材，使用磁控濺射的方法沉積300nm的Al-Ce合金薄膜作為柵極金屬3，并使用光刻工藝將其圖形化形成柵極金屬層；
(3)在已圖形化的Al-Ce薄膜上旋涂光刻膠，然后經(jīng)過(guò)曝光、顯影將光刻膠圖形化。使用光刻膠為掩膜，在Al-Ce膜上覆蓋光刻膠的部分將不會(huì)被氧化為Al203-Ce02。(4)使用電解液乙二醇+水楊酸氨+去離子水，重量比為49 1 50。氧化電壓設(shè)定為100V，制作柵絕緣層4。最終得到氧化物厚度為140nm，如圖3所示。(5)將光刻膠掩膜去除，清洗基板。然后使用刻蝕方法將薄膜晶體管陣列中不需要的金屬引線去除。(6)使用PVD沉積50nm厚的金屬氧化物In-Si-O作為有源層5，并使用光刻將其圖形化。(7)使用PVD制備Mo/Al/Mo疊層金屬作為源漏電極，厚度分別為 25nm/100nm/25nm。并如圖5所示，使用干法刻蝕，將Mo/Al/Mo圖形化形成源漏電極6。(8)如圖6所示，使用旋涂的方法，制作一層厚度為2um的聚酰亞胺作為保護(hù)層7。 并通過(guò)光刻方法形成接觸孔10。(9)使用PVD沉積IOOnm厚的ITO薄膜。使用濕法刻蝕方法將ITO圖形化形成像素陽(yáng)極8，并通過(guò)接觸孔10與源電極相連接，從而制得薄膜晶體管，如圖7所示。實(shí)施例2使用刻蝕阻擋層結(jié)構(gòu)(ESL)制備薄膜晶體管的方法(1)如圖8所示，在0. 5mm厚的無(wú)堿玻璃襯底1上使用PECVD沉積50nm厚的SiNx 層作為緩沖層2。(2)如圖9所示，在緩沖層2上沉積200nm的Al-Hf (Al Hf = IOat % )薄膜作為柵極金屬。使用光刻工藝將Al-Hf薄膜圖形化形成柵極金屬層3。(3)在已圖形化的Al-Hf膜上旋涂光刻膠，然后經(jīng)過(guò)曝光、顯影將光刻膠圖形化。 使用光刻膠作為掩膜，在Al-Hf膜上覆蓋光刻膠的部分將不會(huì)被氧化(通過(guò)曝光顯影，僅在需要保護(hù)的Al膜上保留光刻膠)。(4)如圖10所示，使用陽(yáng)極氧化方式，電解液為乙二醇+酒石酸氨+去離子水的混合溶液，重量比為69 1 30。氧化電壓設(shè)定為140V，最終在已圖形化的Al膜上形成一層厚度為200nm的Al2O3-HfO2薄膜作為柵絕緣層4。(5)將光刻膠掩膜去除，清洗基板。然后使用刻蝕方法將薄膜晶體管陣列中不需要的金屬引線去除。(6)如圖11所示，使用PVD沉積50nm厚的金屬氧化物In-Si-O作為有源層5，并使用光刻方法將其圖形化。(7)使用PVD方式沉積IOOnm厚的SiO2，然后使用干法刻蝕圖形化SW2薄膜作為刻蝕阻擋層9，使其能夠保護(hù)有源層溝道，如圖12所示。(8)使用PVD制備Mo/Al/Mo疊層金屬作為源漏電極，厚度分別為 25nm/100nm/25nm。并如圖13所示，使用Mo、Al刻蝕液，將Mo/Al/Mo圖形化形成源漏電極 6。(9)使用PVD沉積IOOnm的ITO薄膜作為像素電極。使用光刻膠剝離的方法圖形化ITO，使其與源電極形成接觸，從而制得薄膜晶體管，如圖14所示。
權(quán)利要求
1.一種基于金屬氧化物的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在透明襯底上沉積SiA或SiNx作為緩沖層；(2)在上述緩沖層上沉積金屬單質(zhì)或金屬合金單層薄膜，并且圖形化形成柵極金屬層；(3)使用陽(yáng)極氧化的方法，在柵極金屬層上制備一層絕緣膜作為柵絕緣層，其中柵極金屬層中不需要沉積氧化膜的部分使用光刻膠進(jìn)行保護(hù)；(4)陽(yáng)極氧化完畢后將光刻膠去除；(5)使用刻蝕方法將薄膜晶體管中不需要的金屬引線去除；(6)在柵絕緣層上采用物理氣相沉積制備金屬氧化物薄膜，并將金屬氧化物薄膜圖形化，作為薄膜晶體管的有源層；(7)根據(jù)所設(shè)計(jì)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，沉積并圖形化源漏電極、像素電極和保護(hù)層或刻蝕阻擋層。
2.如權(quán)利要求1中所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵極金屬層的金屬為Al單質(zhì)薄膜或Al合金單層薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述Al合金單層薄膜為Al-Si、Al-M，M 為堿金屬、堿土金屬、鑭系稀土金屬以及過(guò)渡族金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極氧化的方法是將制備好的柵極基片放入電解溶液中接電源正極，電源負(fù)極接石墨或金屬板放入電解溶液中，通電進(jìn)行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述電解溶液為五硼酸銨、酒石酸氨和水楊酸氨中任意一種或兩種以上的溶液，與乙二醇混合后所得到的溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，使用陽(yáng)極氧化方法制作柵絕緣層時(shí)，通過(guò)選擇不同柵極金屬材料以及合金成分配比，調(diào)節(jié)柵絕緣層中元素組成=AhBxOy，其中A、B分別代表了不同的金屬，0彡χ彡1，y為氧氣的含量；
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述有源層的半導(dǎo)體材料是金屬氧化物 (In2O3)x(M0)y (ZnO)z，其中 0 彡 x、y、ζ 彡 1，且 x+y+z = 1，M 為 Ga、Sn、Si、Al、Mg、Zr 或 Re 元素，Re為鑭系稀土金屬；所述源漏電極為Al、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo或ITO的單層或多層導(dǎo)電薄膜；所述像素電極采用ITO薄膜、高導(dǎo)的IZO薄膜或者ZTO薄膜；所述保護(hù)層或刻蝕阻擋層的材料為Si02、SiNx、A10x、聚酰亞胺、光刻膠、苯丙環(huán)丁烯、丙烯酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述緩沖層厚度為50nm 300nm，柵極金屬層厚度為120nm 500nm，柵絕緣層的厚度為80nm 300nm，有源層為30nm lOOnm， 保護(hù)層為200nm 3000nm，刻蝕阻擋層為IOOnm 500nm，源漏電極的厚度為IOOnm 300nmo
9.一種基于金屬氧化物的薄膜晶體管，其特征在于，該晶體管是由權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)方法制備的。
10.權(quán)利要求9所述晶體管的應(yīng)用，其特征在于，該晶體管用于液晶顯示器以及主動(dòng)有機(jī)放光二極管顯示屏的驅(qū)動(dòng)面板。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于金屬氧化物的薄膜晶體管及其制備方法和應(yīng)用，包括以下步驟(1)制作緩沖層；(2)在上述緩沖層上沉積柵極金屬層；(3)使用陽(yáng)極氧化的方法，在柵極金屬層上制備柵絕緣層，其中柵極金屬層中不需要沉積氧化膜的部分使用光刻膠進(jìn)行保護(hù)；(4)將光刻膠去除；(5)將不需要的金屬引線去除；(6)在柵絕緣層制備有源層；(7)根據(jù)所設(shè)計(jì)的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，沉積并圖形化源漏電極、像素電極和保護(hù)層或刻蝕阻擋層。該發(fā)明采用純Al或Al合金作為柵極金屬，使用陽(yáng)極氧化的方法制備柵絕緣層。通過(guò)調(diào)整柵極金屬成分，能改變柵絕緣層的性能，進(jìn)而改善薄膜晶體管的電學(xué)特性。
文檔編號(hào)H01L21/441GK102522429SQ20111045151
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者蘭林鋒, 彭俊彪, 徐苗, 王磊, 羅東向, 鄒建華, 陶洪 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué), 廣州新視界光電科技有限公司