CN101179016A - 薄膜晶体管及其有源层的制作方法与液晶显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜晶体管的有源层的制作方法，包括先提供一个基板，再使用溶液工艺制备一种半导体前驱物溶液，接着提供上述半导体前驱物溶液到基板上，以形成一层半导体前驱物薄膜。然后，利用一道光源照射半导体前驱物薄膜，以移除半导体前驱物薄膜内残留的溶剂及使其产生半导体特性而形成一层半导体有源层。
Description
技术领域
本发明是有关于一种薄膜晶体管及其有源层的制作方法，且特别是有关于一种可直接在大气下进行的薄膜晶体管的有源层的制作方法、具有此种有源层的薄膜晶体管与液晶显示器。
背景技术
非晶硅薄膜晶体管(Amorphous Silicon Transistor)及多晶硅薄膜晶体管(Low Temperature Polycrystalline Transistor)是现在有源矩阵式平面显示器中薄膜晶体管的主流技术，但由于工艺中需要真空镀膜及黄光工艺，故在设备、材料及工艺上都是高成本的考量。尤其是当基板尺寸越来越大的时候，如何去降低成本是优先解决的目标之一。
因此对于新的薄膜晶体管技术研发也有更多的投入。其中利用溶液工艺制作薄膜晶体管已成为现在热门研究的话题之一。近年来文献中利用溶液工艺制作如氧化锌(ZnO)的二六族化合物半导体的薄膜晶体管，其工艺不但快速容易，并且不需真空设备，可节省许多的工艺成本。元件电性也已经追上非晶硅薄膜晶体管，并且在元件的表现上也已经有相当不错的成果，使得应用于低成本、大面积的电子产品的机会大大提升。
以氧化锌半导体而言，目前已可从文献上得知使用溶液工艺将氧化锌前驱物溶液制备薄膜晶体管的方法有将氧化锌的纳米粒子均匀分散在溶剂中或使用氧化锌的溶胶-凝胶(sol-gel)溶液，并运用公知的涂布方式形成在元件基板上，再以传统热工艺进行移除残留的溶剂及再结晶。虽然些方法都可达到不错的元件特性，但因为工艺温度却往往要超过500℃以上，而造成工艺成本及产率上的问题。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种薄膜晶体管的有源层的制作方法，以降低半导体工艺的成本。
本发明的再一目的是提供一种薄膜晶体管，具有可在大气与室温下制作的有源层。
本发明的又一目的是提供一种液晶显示器，具有上述薄膜晶体管。
本发明提出一种薄膜晶体管的有源层的制作方法，包括提供一个基板，再使用溶液工艺制备一种半导体前驱物溶液，接着提供上述半导体前驱物溶液到基板上，以形成一层半导体前驱物薄膜。然后，利用一道光源照射半导体前驱物薄膜，以移除半导体前驱物薄膜内残留的溶剂及使其产生半导体特性而形成一层半导体有源层。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，上述光源具有范围在5nm～750nm之间的波长以及范围在0.01mj/cm2～1200mj/cm2之间的能量密度。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，上述溶液工艺包括溶胶-凝胶法(Sol-gel)、化学浴沉积法(Chemical Bath Deposition)、光化学沉积法(Photo-chemical Deposition)或将半导体纳米粒子均匀分散于溶剂中。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，上述形成半导体前驱物薄膜的方法包括旋转涂布法(Spin-coating)、喷墨法(Inkjet Printing)、滴印法(Drop-printing)、滴铸法(Casting)、微触法(Micro-contact)、微印法(Micro-stamp)或浸渍法(Dipping)。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，在利用光源照射半导体前驱物薄膜之前可进行软烤。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，在形成半导体有源层之后，还包括移除未被光源照射到的上述半导体前驱物薄膜。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，形成半导体前驱物薄膜之后，还可提供一个掩模，以作为利用光源照射半导体前驱物薄膜时的光掩模(photomask)。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，上述半导体前驱物薄膜的材料包括二六族半导体前驱物，如氧化锌(ZnO)。
依照本发明的优选实施例所述的制作方法，上述基板包括硅晶片(Siwafer)、玻璃基板、陶瓷基板、金属基板、纸类基板或塑胶基板。
本发明再提出一种薄膜晶体管，包括基板、栅极、源极和漏极、绝缘层及一层半导体有源层。其中，栅极、源极和漏极分别配置于基板上，且通过位于基板上的绝缘层将栅极与源极和漏极隔开。而上述半导体有源层是连接源极和漏极，且这层半导体有源层是以上述薄膜晶体管的有源层的制作方法制备的，其中半导体有源层的材料是经光源照射后产生半导体特性之一种半导体前驱物。
依照本发明的优选实施例所述薄膜晶体管，其中所述光源具有范围在5nm～750nm之间的波长以及范围在0.01mj/cm2～1200mj/cm2之间的能量密度。
依照本发明的优选实施例所述薄膜晶体管，上述半导体前驱物包括二六族半导体前驱物，如氧化锌(ZnO)。
依照本发明的优选实施例所述薄膜晶体管，还包括一层与半导体有源层相连的半导体前驱物薄膜，且这层半导体前驱物薄膜具有与上述半导体前驱物相同的材料。
依照本发明的优选实施例所述薄膜晶体管，上述基板包括硅晶片、玻璃基板、陶瓷基板、金属基板、纸类基板或塑胶基板。
依照本发明的优选实施例所述薄膜晶体管，上述源极、漏极与栅极的材料是各自独立地选自金属材料、透明导电材料及有机导电材料其中之一。其中，金属材料包括铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、银(Ag)或金(Au)；透明导电材料包括铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)或锡锑氧化物(antimony tin oxide，ATO)；有机导电材料包括聚二氧乙基噻吩(poly(3，4-ethylene dioxy-thiophene)，PEDOT)。
依照本发明的优选实施例所述薄膜晶体管，上述绝缘层包括有机绝缘材料或无机绝缘材料。其中，有机绝缘材料包括聚乙烯吡咯烷酮(poly(vinylpyrrolidone)，PVP)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)或聚酰亚胺(polyimide，PI)；无机绝缘材料则包括氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氟化锂(LiF)或氧化铝(Al2O3)。
本发明又提出一种液晶显示器，包括显示基板、对向基板与位于显示基板与对向基板之间的液晶层。其中，显示基板包括第一基板、形成于第一基板上的第一电极层、位于第一基板上并与第一电极层电性相连的上述薄膜晶体管、以及位于第一电极层上的第一配向膜。对向基板则包括第二基板、形成于第二基板上的第二电极层以及位于第二电极层上的第二配向膜。
依照本发明的优选实施例所述液晶显示器，其中的薄膜晶体管中的半导体有源层包括如氧化锌(ZnO)的二六族半导体层。
依照本发明的优选实施例所述液晶显示器，其中的薄膜晶体管中的源极、漏极与栅极的材料是各自独立地选自金属材料、透明导电材料及有机导电材料其中之一。其中，金属材料包括铝、铜、钼、银或金；透明导电材料包括铟锡氧化物(ITO)或锡锑氧化物(ATO)；有机导电材料包括聚二氧乙基噻吩(PEDOT)。
依照本发明的优选实施例所述液晶显示器，其中的薄膜晶体管中的绝缘层包括有机绝缘材料或无机绝缘材料。有机绝缘材料包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚酰亚胺(PI)；无机绝缘材料包括氧化硅、氮化硅、氟化锂或氧化铝。
本发明因为利用适当波长及能量密度下的光源以直接照射方式或透过光掩模的方式照射在晶体管上的预定部位，以通过光热作用将被照射到的半导体前驱物(precursor)区域内的有机物断键移除，进而使半导体前驱物转变成半导体。因此，本发明的制作方法能做到直接图案化(direct pattern)的技术。而且，因为整个工艺不需要使用到真空设备和传统黄光微影工艺，也不需要使用半导体结晶的传统高温热工艺，故可大大地降低半导体工艺的成本并且使工艺更为简化。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1C是依照本发明的第一实施例的一种薄膜晶体管的有源层的制造流程剖面图。
图2是依照本发明的第二实施例的一种薄膜晶体管的有源层的制造剖面图。
图3是依照本发明的第三实施例的一种液晶显示器的结构剖面图。
主要元件符号说明
100、308、318：基板 102：栅极
104：源极和漏极 106：绝缘层
108、200：半导体前驱物薄膜 110：掩模
112a：不透光区 112b：透光区
114：光源 116：半导体有源层
302显示基板 304对向基板
306液晶层 310：第一电极层
312：薄膜晶体管 314：第一配向膜
316：保护层 320：第二电极层
322：第二配向膜
具体实施方式
图1A至图1C是依照本发明的第一实施例的一种薄膜晶体管的有源层的制造流程剖面图。
请参照图1A，提供一个基板100，且于基板100上通常已经形成有栅极102及源极和漏极104，另外还有一层将栅极102与源极和漏极104隔开的绝缘层106。上述基板100例如是硅晶片(Si wafer)、玻璃基板、陶瓷基板、金属基板、纸类基板或塑胶基板，以便应用于大尺寸及低成本的产品。而栅极102及源极和漏极104的材料例如是各自独立地选自金属材料、透明导电材料及有机导电材料其中之一，其中金属材料如铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、银(Ag)或金(Au)；透明导电材料如铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)或锡锑氧化物(antimony tin oxide，ATO)；有机导电材料则如聚二氧乙基噻吩(poly(3，4-ethylene dioxy-thiophene)，PEDOT)。再者，绝缘层106可包括有机绝缘材料，如聚乙烯吡咯烷酮(poly(vinyl pyrrolidone)，PVP)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)或聚酰亚胺(polyimide，PI)或无机绝缘材料，如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氟化锂(LiF)或氧化铝(Al2O3)。虽然在第一实施例的图中仅绘示栅极在底部(bottom-gate)的薄膜晶体管，但是本发明还可应用于其他种类的薄膜晶体管中，如栅极在顶部(top-gate)的薄膜晶体管等。
然后，请参照图1B，使用溶液工艺制备一种半导体前驱物溶液，其中上述溶液工艺例如溶胶-凝胶法(Sol-gel)、化学浴沉积法(Chemical BathDeposition)、光化学沉积法(Photo-chemical Deposition)或是将适合的半导体纳米粒子均匀分散于溶剂中。接着，提供上述半导体前驱物溶液到基板100上，以形成一层半导体前驱物薄膜108，且其方法例如是旋转涂布法(Spin-coating)、喷墨法(Inkjet Printing)、滴印法(Drop-printing)、滴铸法(Casting)、微触法(Micro-contact)、微印法(Micro-stamp)或浸渍法(Dipping)。而上述半导体前驱物薄膜108的材料例如是二六族(II-VI)半导体前驱物，且除了下面的实例所采用的氧化锌(ZnO)之外，也可选用其它二六族半导体前驱物。此时，可以选择性地进行一道软烤步骤，以消除半导体前驱物溶液中的有机物。
然后，请继续参照图1B，利用一道光源114照射半导体前驱物薄膜108，以移除半导体前驱物薄膜108内残留的溶剂及使其产生半导体特性，其中光源114具有范围在5nm～750nm之间的波长以及范围在0.01mj/cm2～1200mj/cm2之间的能量密度。举例来说，光源114可以是248nm的KrF的准分子激光、300～750nm的H-20 UV(出自Journal of CRYSTAL GROWTH 256(2003)第73-77页，标题为Photoconductive UV detectors on sol-gel-synthesizedZnO films)、355nm的Nd：YAG激光(出自IEEE Photonics Technology Letters，Vol.16，No.11(2004年11月)第2418-2420页，标题为Sol-Gel ZnO-SiO2Composite Waveguide Ultraviolet Lasers)或其他适当波长的光源。此外，为达到图案化的效果，可在光源114照射前提供一个由不透光区112a与透光区112b构成的掩模110，当作光源114照射半导体前驱物薄膜108时的光掩模(photomask)。
之后，请参照图1C，被光源(请见图1B的114)照射到的半导体前驱物薄膜108会转变形成一层半导体有源层116。于一实例中，可选择将未被光源照射到的半导体前驱物薄膜108移除，且可直接使用制备前述半导体前驱物溶液时所使用的溶剂，如此一来就不需使用黄光微影工艺。
以下实例是依照上述第一实施例的方式进行实际的工艺。
实例
在这个实例中是以溶胶-凝胶法来制备氧化锌(Zinc Oxide，ZnO)的溶胶-凝胶(sol-gel)溶液。首先，混合溶剂2-甲氧基乙醇(2-methoxyethanol)100毫升与单乙醇胺(Monoethanol amine，MEA)3.62毫升而成为一混合液，再将溶质醋酸锌(Zinc Acetate)13.2克溶解于此混合液中，并在60℃搅拌30分钟，配制成氧化锌之前驱物溶液。
然后，将上述氧化锌之前驱物溶液利用旋转涂布法(Spin-coating)形成在一个玻璃基板上，且于玻璃基板上已形成有ITO当作栅极(～
)、源极和漏极(～)，并且在栅极及源极和漏极之间沉积有一层二氧化硅(SiO2)作为绝缘层(～
)。接着，在200℃进行软烤而使氧化锌之前驱物溶液成为一层氧化锌薄膜。最后，使用波长为248nm的KrF的准分子激光，透过光掩模在元件通道(亦即源极与漏极之间的区域)上方照射，以便移除氧化锌薄膜内的有机物断键，使得氧化锌由绝缘性质转变成半导体，而得到所需的薄膜晶体管。
当上述薄膜晶体管在栅极电压为100V与漏极电压为100V时，氧化锌薄膜晶体管的电流开关比(On/Off ratio)为103，载子迁移率(Mobility)为1.81×10-4cm2/Vs。
图2是依照本发明的第二实施例的一种薄膜晶体管的有源层的制造剖面图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来表示相同的元件。
请参照图2，其与第一实施例的差别在于形成半导体前驱物薄膜200的方法是选择可直接形成所需图案的技术，如喷墨法、滴印法、滴铸法、微触法或微印法。因此，在利用光源114照射半导体前驱物薄膜200时，不必使用任何光掩模，即可完成图案化的半导体有源层。
图3是依照本发明的第三实施例的一种液晶显示器的结构剖面图。
请参照图3，此一实施例的液晶显示器包括显示基板302、对向基板304与位于显示基板302与对向基板304之间的液晶层306。其中，显示基板302包括第一基板308、形成于第一基板308上的第一电极层310、位于第一基板308上并与第一电极层310电性相连的薄膜晶体管312和位于第一电极层310上的第一配向膜314。其中，薄膜晶体管312即为第一实施例所形成的薄膜晶体管，其中包括栅极102、源极和漏极104、绝缘层106及一层半导体有源层116，且连接源极和漏极104的半导体有源层116例如是如氧化锌(ZnO)的二六族半导体层。而其余各层的材料均可参考第一实施例。此外，在薄膜晶体管312中还有与半导体有源层116相连的半导体前驱物薄膜108；当然这层半导体前驱物薄膜108也可被移除。
请继续参照图3，在第一电极层310与薄膜晶体管312之间可加上一层保护层316隔开两者。而对向基板304则包括第二基板318、形成于第二基板318上的第二电极层320以及位于第二电极层320上的第二配向膜322。上述第一与第二配向膜314、322例如是摩擦配向层、光配向层或离子配向层。
本发明的薄膜晶体管除可应用于第三实施例的有源矩阵型(Active-Matrix)液晶显示器之外，亦可应用于其他类型显示器技术或者如智能卡(Smart Card)、价格标签(Price Tags)、货物标签(Inventory Tags)、太阳能电池(Solar cell)、大面积传感器阵列(Large-Area Sensor Arrays)等的设备中。
综上所述，本发明采用溶液工艺并搭配适当波长及能量密度下的光源取代传统的热工艺，所以不但可直接在大气下进行，而且只要局部加热不需全面加热，所以适用于低成本、大面积的产品工艺。而且，本发明局部加热的方式还能达到直接图案化的效果，所以不需要额外的黄光微影工艺及蚀刻工艺，故可简化工艺。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。
Claims (33)
1.一种薄膜晶体管的有源层的制作方法，包括：
提供一基板；
使用一溶液工艺制备一半导体前驱物溶液；
提供该半导体前驱物溶液到该基板上，从而形成一半导体前驱物薄膜；以及
利用一光源照射该半导体前驱物薄膜，从而移除该半导体前驱物薄膜内残留的溶剂及使其产生半导体特性而形成一半导体有源层。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中该光源具有范围在5nm～750nm之间的波长以及范围在0.01mj/cm2～1200mj/cm2之间的能量密度。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中该溶液工艺包括溶胶-凝胶法、化学浴沉积法、光化学沉积法或将半导体纳米粒子均匀分散于溶剂中。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中形成该半导体前驱物薄膜的方法包括旋转涂布法、喷墨法、滴印法、滴铸法、微触法、微印法或浸渍法。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中利用该光源照射该半导体前驱物薄膜之前，还包括进行软烤。
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中形成该半导体有源层之后，还包括移除未被该光源照射到的该半导体前驱物薄膜。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中形成该半导体前驱物薄膜之后，还包括提供一掩模，以作为利用该光源照射该半导体前驱物薄膜时的光掩模。
8.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中该半导体前驱物薄膜的材料包括二六族半导体前驱物。
9.如权利要求8所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中该二六族半导体前驱物包括氧化锌。
10.如权利要求1所述的薄膜晶体管的有源层的制作方法，其中该基板包括硅晶片、玻璃基板、陶瓷基板、金属基板、纸类基板或塑胶基板。
11.一种薄膜晶体管，包括：
一基板；
一栅极、一源极和一漏极，分别配置于该基板上；
一绝缘层，位于该基板上将该栅极与该源极和该漏极隔开；以及
一半导体有源层，连接该源极和该漏极，且该半导体有源层是以权利要求1所述的制作方法制备的，其中该半导体有源层的材料是经光源照射后产生半导体特性的一半导体前驱物。
12.如权利要求11所述的薄膜晶体管，其中该光源具有范围在5nm～750nm之间的波长以及范围在0.01mj/cm2～1200mj/cm2之间的能量密度
13.如权利要求11所述的薄膜晶体管，其中该半导体前驱物包括二六族半导体前驱物。
14.如权利要求13所述的薄膜晶体管，其中该二六族半导体前驱物包括氧化锌。
15.如权利要求11所述的薄膜晶体管，还包括一半导体前驱物薄膜，与该半导体有源层相连，且该半导体前驱物薄膜具有与该半导体前驱物相同的材料。
16.如权利要求11所述的薄膜晶体管，其中该基板包括硅晶片、玻璃基板、陶瓷基板、金属基板、纸类基板或塑胶基板。
17.如权利要求11所述的薄膜晶体管，其中该源极、该漏极与该栅极的材料是各自独立地选自金属材料、透明导电材料及有机导电材料其中之一。
18.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其中金属材料包括铝、铜、钼、银或金。
19.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其中透明导电材料包括铟锡氧化物或锡锑氧化物。
20.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其中有机导电材料包括聚二氧乙基噻吩。
21.如权利要求11所述的薄膜晶体管，其中该绝缘层包括有机绝缘材料或无机绝缘材料。
22.如权利要求21所述的薄膜晶体管，其中有机绝缘材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。
23.如权利要求21所述的薄膜晶体管，其中无机绝缘材料包括硅氧化物、硅氮化物、氟化锂或氧化铝。
24.一种液晶显示器，包括：
一显示基板，包括：
一第一基板；
一第一电极层，形成于该第一基板上；
如权利要求11所述的薄膜晶体管，位于该第一基板上并与该第一电极层电性相连；
一第一配向膜，位于该第一电极层上；
一对向基板，包括：
一第二基板；
一第二电极层，形成于该第二基板上；
一第二配向膜，位于该第二电极层上；以及
一液晶层，位于该显示基板与该对向基板之间。
25.如权利要求24所述的液晶显示器，其中该薄膜晶体管中的半导体有源层包括二六族半导体层。
26.如权利要求25所述的液晶显示器，其中该二六族半导体层包括氧化锌半导体层。
27.如权利要求24所述的液晶显示器，其中该薄膜晶体管中的源极、漏极与栅极的材料是各自独立地选自金属材料、透明导电材料及有机导电材料其中之一。
28.如权利要求27所述的液晶显示器，其中金属材料包括铝、铜、钼、银或金。
29.如权利要求27所述的液晶显示器，其中透明导电材料包括铟锡氧化物或锡锑氧化物。
30.如权利要求27所述的液晶显示器，其中有机导电材料包括聚二氧乙基噻吩。
31.如权利要求24所述的液晶显示器，其中该薄膜晶体管中的绝缘层包括有机绝缘材料或无机绝缘材料。
32.如权利要求31所述的液晶显示器，其中有机绝缘材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。
33.如权利要求31所述的液晶显示器，其中无机绝缘材料包括氧化硅、氮化硅、氟化锂或氧化铝。
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2006
- 2006-11-10 CN CNB2006101435449A patent/CN100547736C/zh not_active Expired - Fee Related
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