CN102522429A - 一种基于金属氧化物的薄膜晶体管及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金属氧化物的薄膜晶体管及其制备方法和应用，包括以下步骤：(1)制作缓冲层；(2)在上述缓冲层上沉积栅极金属层；(3)使用阳极氧化的方法，在栅极金属层上制备栅绝缘层，其中栅极金属层中不需要沉积氧化膜的部分使用光刻胶进行保护；(4)将光刻胶去除；(5)将不需要的金属引线去除；(6)在栅绝缘层制备有源层；(7)根据所设计的薄膜晶体管结构，沉积并图形化源漏电极、像素电极和保护层或刻蚀阻挡层。该发明采用纯Al或Al合金作为栅极金属，使用阳极氧化的方法制备栅绝缘层。通过调整栅极金属成分，能改变栅绝缘层的性能，进而改善薄膜晶体管的电学特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管的制备方法。尤其涉及一种金属氧化物半导体薄膜晶体管栅极绝缘层的制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)目前主要应用于驱动液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器的子像素。采用薄膜晶体管阵列制成的驱动背板，是显示屏能实现更高的像素密度、开口率和提升亮度的关键部件。目前TFT-LCD普遍采用基于非晶硅作为有源层的TFT背板。但是由于非晶硅迁移率过低(0.1cm2 V-1s-1左右)，不能满足OLED显示屏、高清TFT-LCD以及3D显示的要求。而金属氧化半导体作为薄膜晶体管的有源层材料，由于其高迁移率，低沉积温度以及透明的光学特性被视为下一代的显示背板技术。目前已吸引了世界范围内研究者得关注。高迁移率的特点使其能够满足未来显示技术对于高频率、大电流薄膜晶体管的要求。而低于100℃的工艺温度，使得利用金属氧化制备柔性显示器件成为可能。
目前，基于金属氧化半导体薄膜晶体管的栅极绝缘层制作主要有三种方法。1.化学气相沉积；2.物理气相沉积；3.原子层沉积；其中化学气相沉积主要是使用等离子体化学气相沉积(PECVD)制备SiNx、SiO2薄膜。但是PECVD为高温工艺(＞250℃)，并且所生长的绝缘薄膜质量较差，影响薄膜晶体管的性能。而物理气相沉积设备(PVD)虽然可以在室温沉积SiO2、SiNx、AlOx等绝缘薄膜，但是同样存在绝缘薄膜质量较差的因素。同时，PVD生长绝缘薄膜，无论是使用射频溅射或是反应溅射，其薄膜的沉积速率较慢，在实际生产中较难应用。原子层沉积(ALD)可以制备Al2O3、Si3N4、SiO2等常规绝缘层，同时还可制备HfO2、La2O3等具有高介电常数的绝缘薄膜。由于ALD工艺在每个周期内可精确地沉积一个原子层，因此能生长高质量、无针孔的薄膜。但是，由于ALD单原子层沉积的生长方式，导致薄膜沉积速率过慢，并且大尺寸化非常困难。因此在显示背板的制作中很难使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜晶体管的制备方法。尤其涉及金属氧化物半导体薄膜晶体管栅极绝缘层制备，以及通过改变栅极绝缘层制备条件改进薄膜晶体管电学性能的方法。
本发明的另一目的是提供上述方法制备的晶体管及该晶体管的应用。
一种基于金属氧化物的薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在透明衬底上沉积SiO2或SiNx作为缓冲层；
(2)在上述缓冲层上沉积金属单质或金属合金单层薄膜，并且图形化形成栅极金属层；
(3)使用阳极氧化的方法，在栅极金属层上制备一层绝缘膜作为栅绝缘层，其中栅极金属层中不需要沉积氧化膜的部分使用光刻胶进行保护；
(4)阳极氧化完毕后将光刻胶去除；
(5)使用刻蚀方法将薄膜晶体管中不需要的金属引线去除；
(6)在栅绝缘层上采用物理气相沉积制备金属氧化物薄膜，并将金属氧化物薄膜图形化，作为薄膜晶体管的有源层；
(7)根据所设计的薄膜晶体管结构，沉积并图形化源漏电极、像素电极和保护层或刻蚀阻挡层。
优选地，所述栅极金属层的金属为Al单质薄膜或Al合金单层薄膜。
优选地，所述Al合金单层薄膜为Al-Si或Al-M，M为碱金属、碱土金属、镧系稀土金属以及过渡族金属。合金掺杂量原子占Al的百分比的调整范围为5at.％～95at.％。
优选地，所述阳极氧化的方法是将制备好的栅极基片放入电解溶液中接电源正极，电源负极接石墨或金属板放入电解溶液中，通电进行处理。
优选地，所述电解溶液为五硼酸铵、酒石酸氨和水杨酸氨中任意一种或两种以上的溶液(A)，与乙二醇(B)混合后所得到的溶液。电解液优选B+A+去离子水，重量比为(49～69)∶1∶(30～50)的混合溶液。
优选地，使用阳极氧化方法制作栅绝缘层时，通过选择不同栅极金属材料以及合金成分配比，调节栅绝缘层中元素组成：A1-xBxOy，其中A、B分别代表了不同的金属，0≤x≤1，y为氧气的含量。一般根据不同氧化薄膜，y值并不相同。使用阳极氧化方法制备的栅绝缘层时，通过调节栅极金属元素组成以及选择不同的氧化电解液，可以改变栅绝缘层的平整性、绝缘特性、介电常数以及表面态等物理特性。
通过调整所述的栅极绝缘层物理特性，可以改善薄膜晶体管中绝缘层与有源层之间的界面态，进而提高薄膜晶体管的迁移率、阈值电压、稳定性等电学特性。
优选地，所述有源层的半导体材料是金属氧化物(In2O3)x(MO)y(ZnO)z，其中0≤x、y、z≤1，且x+y+z＝1，M为Ga、Sn、Si、Al、Mg、Zr或Re元素，Re为La系稀土金属；所述金属氧化物一般为In-Zn-O、Sn-Zn-O、In-Zn-Al-O、In-Zn-Ga-O、In-Zn-Zr-O等多元金属氧化物半导体材料。
优选地，所述保护层或刻蚀阻挡层的材料为SiO2、SiNx、AlOx、聚酰亚胺(PI)、光刻胶、苯丙环丁烯(BCB)、丙烯酸(acrylic)。
优选地，所述源漏电极为Al、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo或ITO的单层或多层导电薄膜。
优选地，所述像素电极采用ITO薄膜、高导的IZO薄膜或者ZTO薄膜。
优选地，所述透明衬底为玻璃材质或者塑料柔性材料；所述缓冲层厚度为50nm～300nm，主要起到平整透明衬底，隔绝衬底中杂质的影响。栅极金属层厚度为120nm～500nm，栅绝缘层的厚度为80nm～300nm，有源层为30nm～100nm，保护层为200nm～3000nm，刻蚀阻挡层为100nm～500nm，源漏电极的厚度为100nm～300nm。
上述方法中的图形化方法一般采用湿法刻蚀、干法刻蚀和光刻胶剥离以上三种方法。
上述方法中无机薄膜一般采用化学等离子沉积系统(PECVD)或物理气相沉积(PVD)制备。
上述方法中所用的有机薄膜，一般采用旋转涂布(spin coating)或是刮涂(slit coating)两种方法制备。
上述方法中所述的薄膜晶体管制作工序结合常规的半导体工艺，可以实现薄膜晶体管阵列的制作。本发明所述的薄膜晶体管适用于液晶显示器以及主动有机放光二极管显示屏的驱动面板。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)首次使用阳极氧化方法制备栅极绝缘层，用于金属氧化薄膜晶体管器件的制作，并公开了器件结构以及制作方法。阳极氧化方法可以制备得到高质量的栅极绝缘层薄膜。并且对成膜环境无特殊要求，在大气、常温环境中即可实现栅绝缘层沉积。
(2)当阳极氧化方法制备栅极绝缘层时，可通过对栅金属成分的调节以及选择不同的电解液，可以制备出性能不同的栅极绝缘层介质膜。通过这种方法，可以得到高性能的绝缘层薄膜，能减少绝缘层与金属氧化物有源层界面的陷阱态，调整阈值电压、并获得高的迁移率。
(3)本发明使用的阳极氧化方法成本低廉，容易实现大面积以及大批量生产。该发明适合于基于金属氧化物薄膜晶体管的大面积显示驱动面板的制作，具有重要的产业应用价值。
附图说明
图1.透明基板上沉积缓冲层；
图2.沉积并图形化金属层作为薄膜晶体管的栅电极；
图3.使用阳极氧化方式在薄膜晶体管的栅极制作栅绝缘层；
图4.沉积并图形化有源层；
图5.沉积并图形化源漏电极；
图6.沉积并图形化保护层；
图7.沉积并图形化像素电极并通过接触孔与源电极接触；
图8.透明基板上沉积缓冲层；
图9.沉积并图形化金属层作为薄膜晶体管的栅电极；
图10.使用阳极氧化方式在薄膜晶体管的栅极制作栅绝缘层；
图11.沉积并图形化有源层；
图12.沉积并在有源层上形成刻蚀阻挡层；
图13.沉积并图形化源漏电极；
图14.沉积并图形化像素电极与源漏电极接触。
具体实施方式
实施例1
使用背沟道刻蚀结构(BCE)制备薄膜晶体管的方法：
(1)如图1所示，在0.5mm厚的无碱玻璃衬底1上使用PECVD沉积200nm厚的SiO2层作为缓冲层2；
(2)如图2所示，在缓冲层上，使用Al-Ce(Al∶Ce＝3at％)的合金靶材，使用磁控溅射的方法沉积300nm的Al-Ce合金薄膜作为栅极金属3，并使用光刻工艺将其图形化形成栅极金属层；
(3)在已图形化的Al-Ce薄膜上旋涂光刻胶，然后经过曝光、显影将光刻胶图形化。使用光刻胶为掩膜，在Al-Ce膜上覆盖光刻胶的部分将不会被氧化为Al2O3-CeO2。
(4)使用电解液：乙二醇+水杨酸氨+去离子水，重量比为49∶1∶50。氧化电压设定为100V，制作栅绝缘层4。最终得到氧化物厚度为140nm，如图3所示。
(5)将光刻胶掩膜去除，清洗基板。然后使用刻蚀方法将薄膜晶体管阵列中不需要的金属引线去除。
(6)使用PVD沉积50nm厚的金属氧化物In-Zn-O作为有源层5，并使用光刻将其图形化。
(7)使用PVD制备Mo/Al/Mo叠层金属作为源漏电极，厚度分别为25nm/100nm/25nm。并如图5所示，使用干法刻蚀，将Mo/Al/Mo图形化形成源漏电极6。
(8)如图6所示，使用旋涂的方法，制作一层厚度为2um的聚酰亚胺作为保护层7。并通过光刻方法形成接触孔10。
(9)使用PVD沉积100nm厚的ITO薄膜。使用湿法刻蚀方法将ITO图形化形成像素阳极8，并通过接触孔10与源电极相连接，从而制得薄膜晶体管，如图7所示。
实施例2
使用刻蚀阻挡层结构(ESL)制备薄膜晶体管的方法：
(1)如图8所示，在0.5mm厚的无碱玻璃衬底1上使用PECVD沉积50nm厚的SiNx层作为缓冲层2。
(2)如图9所示，在缓冲层2上沉积200nm的Al-Hf(Al∶Hf＝10at％)薄膜作为栅极金属。使用光刻工艺将Al-Hf薄膜图形化形成栅极金属层3。
(3)在已图形化的Al-Hf膜上旋涂光刻胶，然后经过曝光、显影将光刻胶图形化。使用光刻胶作为掩膜，在Al-Hf膜上覆盖光刻胶的部分将不会被氧化(通过曝光显影，仅在需要保护的Al膜上保留光刻胶)。
(4)如图10所示，使用阳极氧化方式，电解液为乙二醇+酒石酸氨+去离子水的混合溶液，重量比为69∶1∶30。氧化电压设定为140V，最终在已图形化的Al膜上形成一层厚度为200nm的Al2O3-HfO2薄膜作为栅绝缘层4。
(5)将光刻胶掩膜去除，清洗基板。然后使用刻蚀方法将薄膜晶体管阵列中不需要的金属引线去除。
(6)如图11所示，使用PVD沉积50nm厚的金属氧化物In-Zn-O作为有源层5，并使用光刻方法将其图形化。
(7)使用PVD方式沉积100nm厚的SiO2，然后使用干法刻蚀图形化SiO2薄膜作为刻蚀阻挡层9，使其能够保护有源层沟道，如图12所示。
(8)使用PVD制备Mo/Al/Mo叠层金属作为源漏电极，厚度分别为25nm/100nm/25nm。并如图13所示，使用Mo、Al刻蚀液，将Mo/Al/Mo图形化形成源漏电极6。
(9)使用PVD沉积100nm的ITO薄膜作为像素电极。使用光刻胶剥离的方法图形化ITO，使其与源电极形成接触，从而制得薄膜晶体管，如图14所示。
Claims (10)
1.一种基于金属氧化物的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在透明衬底上沉积SiO2或SiNx作为缓冲层；
(2)在上述缓冲层上沉积金属单质或金属合金单层薄膜，并且图形化形成栅极金属层；
(3)使用阳极氧化的方法，在栅极金属层上制备一层绝缘膜作为栅绝缘层，其中栅极金属层中不需要沉积氧化膜的部分使用光刻胶进行保护；
(4)阳极氧化完毕后将光刻胶去除；
(5)使用刻蚀方法将薄膜晶体管中不需要的金属引线去除；
(6)在栅绝缘层上采用物理气相沉积制备金属氧化物薄膜，并将金属氧化物薄膜图形化，作为薄膜晶体管的有源层；
(7)根据所设计的薄膜晶体管结构，沉积并图形化源漏电极、像素电极和保护层或刻蚀阻挡层。
2.如权利要求1中所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅极金属层的金属为Al单质薄膜或Al合金单层薄膜。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Al合金单层薄膜为Al-Si、Al-M，M为碱金属、碱土金属、镧系稀土金属以及过渡族金属。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化的方法是将制备好的栅极基片放入电解溶液中接电源正极，电源负极接石墨或金属板放入电解溶液中，通电进行处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电解溶液为五硼酸铵、酒石酸氨和水杨酸氨中任意一种或两种以上的溶液，与乙二醇混合后所得到的溶液。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用阳极氧化方法制作栅绝缘层时，通过选择不同栅极金属材料以及合金成分配比，调节栅绝缘层中元素组成：A1-xBxOy，其中A、B分别代表了不同的金属，0≤x≤1，y为氧气的含量；
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有源层的半导体材料是金属氧化物(In2O3)x(MO)y(ZnO)z，其中0≤x、y、z≤1，且x+y+z＝1，M为Ga、Sn、Si、Al、Mg、Zr或Re元素，Re为镧系稀土金属；
所述源漏电极为Al、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo或ITO的单层或多层导电薄膜；
所述像素电极采用ITO薄膜、高导的IZO薄膜或者ZTO薄膜；
所述保护层或刻蚀阻挡层的材料为SiO2、SiNx、AlOx、聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、丙烯酸。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层厚度为50nm～300nm，栅极金属层厚度为120nm～500nm，栅绝缘层的厚度为80nm～300nm，有源层为30nm～100nm，保护层为200nm～3000nm，刻蚀阻挡层为100nm～500nm，源漏电极的厚度为100nm～300nm。
9.一种基于金属氧化物的薄膜晶体管，其特征在于，该晶体管是由权利要求1～8任意一项方法制备的。
10.权利要求9所述晶体管的应用，其特征在于，该晶体管用于液晶显示器以及主动有机放光二极管显示屏的驱动面板。
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