CN102723279A - 一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，该金属氧化物薄膜晶体管结构包括：栅极金属层，栅极绝缘层，有源层，刻蚀阻挡层，源漏电极，保护层；本发明利用灰度掩膜版，并通过对光刻步骤进行特殊设计，大大简化了薄膜晶体管的制作工艺，并能够防止金属氧化物有源层的背沟道在工艺过程中受到污染。该发明应用于基于金属氧化物薄膜晶体管驱动面板的制作，是具有重要产业应用价值的技术。

Description

一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法

技术领域

本发明涉及晶体管的制作方法，特别涉及一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法。

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（a-Si）迁移率过低（0.1cm²V^-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刷新频率、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。

目前已大规模应用于LCD行业的是基于a-Si的TFT背板技术。该技术最少可使用4次光罩技术完成驱动面板的制作。而对于迁移率大于10cm²V^-1s^-1的材料，目前仅有单晶硅、低温多晶硅以及金属氧化物三种选择。其中单晶硅工艺温度高，无法实现大面积显示屏的制作，因此仅用于微显示领域。而低温多晶硅工艺，成熟于20世纪90年代，目前已有大量的高分辨LCD以及OLED产品面市。但是低温多晶硅工艺复杂（9次光罩左右），设备成本昂贵，这也是阻碍其发展的重要因素。

而对于金属氧化物半导体材料，由于其拥有合适的迁移率特性，并且在电学均匀性方面均优于低温多晶硅。如果能够在制造工艺上大幅简化，金属氧化物势必能够得到快速发展并成熟，进而取代低温多晶硅工艺，用于新一代的显示屏制作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法。

本发明采用如下技术方案：

一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

（1）在透明衬底上沉积SiO₂或Si₃N₄作为缓冲层，厚度为50nm~200nm；

（2）在缓冲层上沉积导电薄膜，并图形化形成栅极金属层；

（3）在真空的状态下，连续沉积栅极绝缘层、有源层，刻蚀阻挡层；

（4）在刻蚀阻挡层上沉积光刻胶，利用灰度掩膜版对光刻胶进行曝光、显影得到图形；

（5）依次对刻蚀阻挡层、有源层、栅极绝缘层进行刻蚀，并将刻蚀阻挡层、有源层、栅极绝缘层刻蚀为同一图形；

（6）对光刻胶进行减薄处理，保留刻蚀阻挡层上的光刻胶；使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层；

（7）在刻蚀阻挡层上沉积金属层，并图形化得到源漏电极；

（8）沉积保护层，得到金属氧化物薄膜晶体管。

所述栅极金属层是由一层以上的导电薄膜所构成的，所述每层导电薄膜的材料为Al、Al-合金、Cu、Mo、Ti、Ag、Au、Ta、Cr和ITO薄膜中的一种，栅极金属层厚度为100nm~2000nm；

所述栅极绝缘层由一层以上的绝缘材料层构成，所述每层绝缘材料层的材料为SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Ta₂O₅，Y₂O₃中的一种，栅极绝缘层厚度为50nm~300nm；

所述有源层的材料是金属氧化物(In₂O₃)_x(MO)_y(ZnO)_z，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤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，所述有源层厚度为20nm~100nm；

所述金属氧化物优选为In-Zn-O、In-Zn-Al-O、In-Zn-Ga-O、In-Zn-Zr-O等多元金属氧化物。

所述刻蚀阻挡层由一层以上的绝缘材料层构成，所述每层绝缘材料层的材料为SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Y₂O₃中的一种，刻蚀阻挡层厚度为100nm~300nm；

所述源漏电极为Cu、Mo、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo和ITO薄膜中的一种；源漏电极厚度为100nm~500nm；

所述保护层的材料为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，保护层厚度为200nm~5000nm。

所述采用物理气相沉积方法PVD沉积导电薄膜及金属氧化物层；

绝缘材料层采用等离子体增强型化学气相方法PECVD、原子层沉积方法ALD、脉冲激光成膜法PLD、物理气相沉积方法PVD或阳极氧化法沉积制备；

所述聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯采用溶液旋涂法或刮涂法制备。

所述一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

（1）在透明衬底上沉积SiO₂或Si₃N₄作为缓冲层，厚度为50nm~200nm；

（2）在缓冲层上沉积导电薄膜，并图形化形成栅极金属层；

（3）在栅极金属层上沉积栅极绝缘层，采用干法刻蚀，图形化栅极绝缘层；

（4）在真空的状态下，连续沉积有源层，刻蚀阻挡层；

（5）在刻蚀阻挡层上沉积光刻胶，利用灰度掩膜版对光刻胶进行曝光、显影得到所需图形；

（6）依次对刻蚀阻挡层、有源层进行刻蚀，并将刻蚀阻挡层、有源层刻蚀为同一图形；

（7）对光刻胶进行减薄处理，保留刻蚀阻挡层上的光刻胶，使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层

（8）在刻蚀阻挡层上沉积金属层，并图形化得到源漏电极；

（9）沉积保护层，得到金属氧化物薄膜晶体管。

本发明制作得到的一种金属氧化物薄膜晶体管，从下至上依次是栅极金属层，栅极绝缘层，有源层，刻蚀阻挡层，源漏电极，保护层。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用在真空条件下栅极绝缘层、有源层、刻蚀阻挡层连续沉积的或者采用有源层、刻蚀阻挡层连续沉积的方法，均可大幅度的减少薄膜沉积以及图形化过程中对薄膜晶体管沟道区域的污染；

（2）在光刻工艺中使有灰度掩模板，以及特殊工艺流程设计能够大大的简化光刻步骤。

附图说明

图1为本发明制作方法中的沉积缓冲层示意图；

图2为本发明制作方法中的沉积栅极金属层示意图；

图3为本发明制作方法中的沉积栅极绝缘层示意图；

图4为本发明制作方法中沉积有源层与刻蚀阻挡层示意图；

图5（a）本发明制作方法中使用灰度掩膜版工作原理示意图；

（b）本发明制作方法中沉积光刻胶；

图6为本发明制作方法中曝光后光刻胶图形示意图；

图7为本发明制作方法中图形化刻蚀阻挡层，有源层以及栅极绝缘层示意图；

图8为本发明制作方法中光刻胶减薄示意图；

图9为本发明制作方法中的刻蚀阻挡层图形；

图10为本发明制作方法中的沉积并图形化得到源漏电极；

图11为本发明制作方法中沉积保护层；

图12为本发明制作方法中图形化栅极绝缘层示意图；

图13为本发明制作方法中连续沉积有源层与刻蚀阻挡层。

图中示出：

1—衬底，2—缓冲层，3—栅极金属层，4—栅极绝缘层，5—有源层，6—刻蚀阻挡层，7—源漏电极，8—保护层，9—光刻胶，10—灰度掩膜板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明制作得到的一种金属氧化物薄膜晶体管，从下至上依次是栅极金属层3，栅极绝缘层4，有源层5，刻蚀阻挡层6，源漏电极7，保护层8。

实施例1：

一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

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。

如图2所示，在缓冲层2上，使用PVD依次沉积Mo/Al/Mo三层导电薄膜，厚度分别为25nm/200nm/25nm，使用光刻工艺将其图形化形成栅极金属层3。

如图3、图4所示，在已图形化的栅极金属层3上，使用PVD与PECVD联合的设备，在保持高真空的情况下，依次制作厚度为150nm的Si₃N₄和50nm的SiO₂作为栅极绝缘层4，20nm的In-Zn-Al-O层（In、Al、Zn原子比1:0.05:1）为有源层5，以及100nm SiO₂层作为刻蚀阻挡层6。

如图5（a）、（b）所示，在刻蚀阻挡层6上旋涂AZ4000光刻胶9，结合灰度掩模板10对光刻胶9进行曝光、显影后得到如图6所示的图形。

使用干法刻蚀设备，采用反应气体CF₄/O₂=100sccm/20sccm对刻蚀阻挡层6进行刻蚀；刻蚀完毕后，使用稀氢氟酸对有源层5进行刻蚀，最后使用干法刻蚀的方法刻蚀栅极绝缘层4，所得图形如图7所示。

用氧气等离子体对光刻胶9进行减薄，仅保留刻蚀阻挡层6上的光刻胶，如图8所示。

如图9所示，再使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层6，得到其最终的图形。

如图10所示，使用PVD制备Mo金属薄膜，厚度为100nm，并使用湿法刻蚀，将Mo图形化形成源漏电极7。

如图11所示，使用旋涂的方法，制作一层厚度为5000nm的聚酰亚胺作为保护层8，得到金属氧化物薄膜晶体管。

实施例2：

一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

如图1所示，在0.5mm厚的无碱玻璃衬底1上使用PECVD沉积50nm厚的Si₃N₄层作为缓冲层2。

如图2所示，在缓冲层2上，使用PVD沉积，厚度为100nm的Cu薄膜，使用光刻工艺将其图形化形成栅极金属层3。

如图3所示，在栅极金属层3上，使用ALD，制作厚度为50nm的Al₂O₃作为栅极绝缘层4。然后使用干法刻蚀设备，采用反应气体Cl₂/BCl₃=35sccm/5sccm对栅极绝缘层4进行刻蚀，如图12所示。

如图13所示，使用物理气相沉积方法PVD，在保持高真空的情况下，连续沉积金属氧化物In-Ga-Zn-O（In、Ga、Zn原子比1:1:1）作为有源层5以及Y₂O₃层作为刻蚀阻挡层6，有源层5厚度为50nm，刻蚀阻挡层6的厚度为100nm。

如图5所示，在刻蚀阻挡层6上刮涂AZ4000光刻胶9，结合灰度掩模板10进行曝光、光刻胶9经过显影后得到如图6所示的图形。

如图7所示，使用干法刻蚀设备，采用反应气体Cl₂/BCl₃=30sccm/15sccm对刻蚀阻挡层6进行刻蚀，刻蚀完毕后，使用稀氢氟酸对有源层5进行刻蚀。

如图8所示，使用显影液对光刻胶9进行减薄，仅保留刻蚀阻挡层6上的光刻胶。

如图9所示，使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层6，得到其最终的图形。

如图10所示，使用PVD制备Ti/Al/Ti叠层金属，厚度分别为25nm/100nm/25nm。并使用湿法刻蚀，将Ti/Al/Ti图形化形成源漏电极7。

如图11所示，利用PECVD制作一层厚度为200nm的SiO₂作为保护层8，得到金属氧化物薄膜晶体管。

实施例3：

一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

如图1所示，在0.7mm厚的无碱玻璃衬底1上使用PVD沉积150nm厚的SiO₂层作为缓冲层2。

如图2所示，在缓冲层2上，使用PVD沉积Mo薄膜，厚度为2000nm，光刻工艺将其图形化形成栅极金属层3。

如图3、4所示，在栅极金属层3上，使用PVD与PECVD联合的设备，在保持高真空的情况下，连续沉积栅极绝缘层4，有源层5和刻蚀阻挡层6。其中栅极绝缘层4是250nm的SiO₂单层绝缘薄膜，有源层5为厚度为100nm的In-Zn-O薄膜（In、Zn原子比1:1），刻蚀阻挡层6为300nm厚的Si₃N₄。

如图5所示，在刻蚀阻挡层6上旋涂AZ4000光刻胶9，结合灰度掩模板10进行曝光，光刻胶9经过显影后得到如图6所示的图形。

使用干法刻蚀设备，采用反应气体CF₄/O₂=100sccm/20sccm对刻蚀阻挡层6进行刻蚀。

如图7所示，刻蚀阻挡层6刻蚀完毕后，使用稀氢氟酸对有源层5进行刻蚀，最后再使用干法刻蚀的方法刻蚀栅极绝缘层4。

如图8所示，使用氧气等离子体对光刻胶9进行减薄，仅保留刻蚀阻挡层6上的光刻胶9。

如图9所示，再使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层6，得到其最终的图形。

如图10所示，使用PVD制备Cu叠层金属，厚度分别为500nm。并使用湿法刻蚀图形化Cu薄膜，形成源漏电极7。

如图11所示，使用旋涂的方法，制作一层厚度为2000nm的聚甲基丙烯酸甲酯作为保护层8，得到金属氧化物薄膜晶体管。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在透明衬底上沉积SiO₂或Si₃N₄作为缓冲层，厚度为50nm~200nm；

（2）在缓冲层上沉积导电薄膜，并图形化形成栅极金属层；

（3）在真空的状态下，连续沉积栅极绝缘层、有源层，刻蚀阻挡层；

（4）在刻蚀阻挡层上沉积光刻胶，利用灰度掩膜版对光刻胶进行曝光、显影得到所需图形；

（5）依次对刻蚀阻挡层、有源层、栅极绝缘层进行刻蚀，并将刻蚀阻挡层、有源层、栅极绝缘层刻蚀为同一图形；

（6）对光刻胶进行减薄处理，保留刻蚀阻挡层上的光刻胶；使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层；

（7）在刻蚀阻挡层上沉积金属层，并图形化得到源漏电极；

（8）沉积保护层，得到金属氧化物薄膜晶体管。

2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，所述栅极金属层是由一层以上的导电薄膜所构成的，所述每层导电薄膜的材料为Al、Al-合金、Cu、Mo、Ti、Ag、Au、Ta、Cr和ITO薄膜中的一种，栅极金属层厚度为100nm~2000nm；

所述栅极绝缘层由一层以上的绝缘材料层构成，所述每层绝缘材料层的材料为SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Ta₂O₅，Y₂O₃中的一种，栅极绝缘层厚度为50nm~300nm；

所述有源层的材料是金属氧化物(In₂O₃)_x(MO)_y(ZnO)_z，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤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，所述有源层厚度为20nm~100nm；

所述刻蚀阻挡层由一层以上的绝缘材料层构成，所述每层绝缘材料层的材料为SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Y₂O₃中的一种，刻蚀阻挡层厚度为100nm~300nm；

所述源漏电极为Cu、Mo、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo和ITO薄膜中的一种；源漏电极厚度为100nm~500nm；

所述保护层的材料为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，保护层厚度为200nm~5000nm。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法沉积导电薄膜及金属氧化物层；

绝缘材料层采用等离子体增强型化学气相方法、原子层沉积方法、脉冲激光成膜法、物理气相沉积方法或阳极氧化法沉积制备；

所述聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯采用溶液旋涂法或刮涂法制备。

4.一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在透明衬底上沉积SiO₂或Si₃N₄作为缓冲层，厚度为50nm~200nm；

（2）在缓冲层上沉积导电薄膜，并图形化形成栅极金属层；

（3）在栅极金属层上沉积栅极绝缘层，并采用干法刻蚀图形化栅极绝缘层；

（4）在真空的状态下，连续沉积有源层，刻蚀阻挡层；

（5）在刻蚀阻挡层上沉积光刻胶，利用灰度掩膜版对光刻胶进行曝光、显影得到所需图形；

（6）依次对刻蚀阻挡层、有源层进行刻蚀，并将刻蚀阻挡层、有源层刻蚀为同一图形；

（7）对光刻胶进行减薄处理，保留刻蚀阻挡层上的光刻胶，使用干法刻蚀方法图形化刻蚀阻挡层

（8）在刻蚀阻挡层上沉积金属层，并图形化得到源漏电极；

（9）沉积保护层，得到金属氧化物薄膜晶体管。

5.根据权利要求4所述的一种金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，所述栅极金属层是由一层以上的导电薄膜所构成的，所述每层导电薄膜的材料为Al、Al-合金、Cu、Mo、Ti、Ag、Au、Ta、Cr和ITO薄膜中的一种，栅极金属层厚度为100nm~2000nm；

所述栅极绝缘层由一层以上的绝缘材料层构成，所述每层绝缘材料层的材料为SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Ta₂O₅，Y₂O₃中的一种，栅极绝缘层厚度为50nm~300nm；

所述有源层的材料是金属氧化物(In₂O₃)_x(MO)_y(ZnO)_z，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤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，所述有源层厚度为20nm~100nm；

所述刻蚀阻挡层由一层以上的绝缘材料层构成，所述每层绝缘材料层的材料为SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Y₂O₃中的一种，刻蚀阻挡层厚度为100nm~300nm；

所述源漏电极为Cu、Mo、Ti/Al/Ti、Mo/Al/Mo和ITO薄膜中的一种；源漏电极厚度为100nm~500nm；

所述保护层的材料为SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，保护层厚度为200nm~5000nm。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，采用物理气相沉积方法沉积导电薄膜及金属氧化物层；

绝缘材料层采用等离子体增强型化学气相方法、原子层沉积方法、脉冲激光成膜法、物理气相沉积方法或阳极氧化法沉积制备；

所述聚酰亚胺、光刻胶、苯丙环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯采用溶液旋涂法或刮涂法制备。

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