CN103268918A - 双极性薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents

双极性薄膜晶体管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双极性薄膜晶体管及其制造方法，利用金属氧化物半导体和有机半导体作为n型TFT和p型TFT的沟道材料，在不同的电压偏置下能够提供n型TFT和p型TFT两种驱动，同时本发明的双极性薄膜晶体管的结构和制作工艺简单。

Description

双极性薄膜晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管技术领域，尤其涉及一种双极性薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
薄膜晶体管（英语：Thin-Film Transistor，缩写：TFT），是场效应晶体管的种类之一，大略的制作方式是在基板上沉积各种不同的薄膜，如半导体主动层、介电层和金属电极层。
30年来，基于TFT的大尺寸(面积)微电子技术导致了有源矩阵液晶显示(Active matrix Liquid crystal display，AM-LCD)、有源矩阵发光二极管显示(Active matrix organic light emitting diode，AM-OLED)等有源矩阵平板显示(Active Matrix Flat Panel Display，AM-FPD)技术的高速发展。
到目前为止，非晶硅(a-Si)经常被用于薄膜晶体管中，因此，需要高温处理和昂贵的成膜设备。此外，需要高温处理使得难以将器件(元件)制造到高分子基板等上。
因此，为了以低成本在衬底上制造电子器件，必须研发一种不需要复杂设备的简单的低温处理，或者通过简单处理能获得充分特性的一种或多种材料、材料的有效组合以及进一步的简单的装置结构等。
近年来，研究表明，金属氧化物半导体(Oxide Semiconductor，OS)具有高迁移率(10-70cm2(V.s)-1)、光学透明和低温制备等优点，有望成为新一代主流的TFT沟道材料。
在TFT被应用于液晶显示器或电子纸等用的背板的情况下，进行n型驱动就足够了。但是从应用的角度考虑，高性能的p-MOTFT在许多应用领域是非常需要的。例如在AM-OLED应用方面，AM-OLED被认为极有可能成为近一代的主流AM-FPD。就AM-OLED的像素驱动电路而言，如果驱动管是n型，则OLED阈值电压不均匀或发生变化会导致驱动管的栅源电压Vgs(栅与电源电位之差)不均匀或发生改变，驱动电流(亮度)随之发生改变。如果驱动管为p-TFT，其Vgs与OLED阈值电压无关，因此即使阈值电压改变或本身不均匀对驱动电流(亮度)的影响很小，所以p-MOTFT更适合AM-OLED应用。其次，包括周边驱动电路在内的全集成化的平板显示器(屏上系统，System on Panel，SoP)总是一个追求的目标。要实现这一目标，采用同时包含n和p型器件的互补集成技术是最佳选择。此时，p-MOTFT是不可缺少的。进一步的，在TFT被应用于诸如液晶显示器、电子纸等显示器、CMOS等逻辑电路或太阳能电池等的驱动的情况下，要求双极性操作，即不仅要求n型操作还要求p型操作。
而现今作为金属氧化物TFT(Metal oxide TFT，MOTFT)沟道层的大部分OS材料(如ZnO和InGaZnOx等)均为n型，因为这些OS主要由氧空位和金属间隙离子提供施主电子而导电。n-OS的电子迁移率通常比较大，这是因为其电子传输路径，即导带最小值主要由金属离子空间展宽的s轨道组成。而n-OS的空穴迁移率往往很低，因为其空穴传输路径，即价带最大值主要由定域的O2p轨道组成。因此，获得p型的MOTFT具有很大的挑战性。
有机薄膜晶体管(OTFTs)是以有机半导体材料为有源层的场效应晶体管器件，与无机薄膜晶体管相比，OTFTs具有更多的优点：有机薄膜的成膜技术更多、更方便;器件的尺寸更小、集成度更高；器件的制作工艺较为简单，能够有效地降低器件的成本；可通过适当修饰有机分子结构来提高器件性能；全部由有机材料制备的“全有机”场效应晶体管呈现出非常好的柔韧性,质量轻且携带方便；可实现大面积化显示器件的控制。随着高迁移率有机半导体材料、薄膜物理和器件工程等方面研究的快速发展，OTFTs的迁移率、开关电流比等性能已达到或超过非晶硅(α-Si:H)晶体管器件的水平，因此,其在液晶和有机电致发光显示器、有源驱动电路、传感器、电子标签和互补逻辑电路中有着广阔的应用前景。
而现有技术中的双极性TFT大多是利用n型金属氧化物半导体材料和p型如CuAO2(A＝Al，Ga，In)和LaCuOS等金属氧化物半导体材料作为n-TFT和p-TFT沟道材料，但是由于这些p型金属氧化物半导体材料的制备工艺比较复杂，使得这种双极性TFT的制备工艺都较为复杂，成本较高，不能满足现有TFT作为驱动应用到电路中的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极性薄膜晶体管及其制造方法，利用有机半导体材料和金属氧化物半导体材料来提供n型TFT和p型TFT两种驱动，结构和制作工艺简单。
为解决上述问题，本发明提供一种双极性薄膜晶体管，包括：
衬底；
栅电极，位于在所述衬底上；
第一绝缘介质层，位于所述栅电极上；
金属氧化物半导体有源区，位于所述第一绝缘介质层上并暴露出所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
第二绝缘介质层，位于所述金属氧化物半导体有源区上；
源极和漏极，覆盖所述金属氧化物半导体有源区以及第二绝缘介质层的侧壁，底部延伸并覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层的顶部边缘，顶部延伸并覆盖所述第二绝缘介质层顶部边缘；
有机半导体有源区，与所述金属氧化物半导体有源区的导电类型相反，覆盖在所述第二绝缘介质层、源极和漏极的顶部。
进一步的，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底。
进一步的，所述栅电极的材料包括ITO、Mo、Al、Cu中的至少一种。
进一步的，所述第一绝缘介质层和第二绝缘介质层为SiO2、SiN或Al2O3。
进一步的，所述金属氧化物半导体有源区的导电类型为N型，所述有机半导体有源区的导电类型为P型。
进一步的，所述金属氧化物半导体有源区的材质为ZnO、ZO或IGZO。
进一步的，所述有机半导体有源区的材质为戊烷。
进一步的，所述源极和漏极为单层结构或双层复合结构。
进一步的，当栅电极和源极间的电压和漏极和源极之间的电压为正向偏置电压时，所述双极性薄膜晶体管为N型薄膜晶体管；当栅电极和源极间的电压和漏极和源极之间的电压为反向偏置电压时，所述双极性薄膜晶体管为P型薄膜晶体管。
本发明还提供一种上述的双极性薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：
提供一衬底，并在所述衬底上形成栅电极；
在所述栅电极上形成第一绝缘介质层；
在所述第一绝缘介质层上形成金属氧化物层，刻蚀形成金属氧化物半导体有源区，所述金属氧化物半导体有源区暴露出所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
在所述金属氧化物半导体有源区上形成第二绝缘介质层；
在所述第二绝缘介质层和金属氧化物半导体有源区侧壁上形成源极和漏极，所述源极和漏极顶部覆盖所述第二绝缘介质层顶部边缘，底部覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
在所述第二绝缘介质层、源极和漏极的顶部形成与所述金属氧化物半导体有源区的导电类型相反的有机半导体有源区。
与现有技术相比，本发明提供的双极性薄膜晶体管及其制造方法，利用金属氧化物半导体和有机半导体作为n型TFT和p型TFT的沟道材料，在不同的电压偏置下能够提供n型TFT和p型TFT两种驱动，同时本发明的双极性薄膜晶体管的结构和制作工艺简单。
附图说明
图1是本发明具体实施例的双极性TFT的剖面结构示意图；
图2A和图2B是本发明具体实施例的双极性TFT分别实现n型TFT和p型TFT驱动的示意图；
图3是本发明具体实施例的双极性TFT的制造方法流程图；
图4A至图4C是本发明具体实施例的双极性TFT制造工艺中的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应认为只是局限在所述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种双极性薄膜晶体管，包括：衬底100、栅电极101、第一绝缘介质层102、源极105a、漏极105b、金属氧化物半导体有源区103、第二绝缘介质层104以及有机半导体有源区106。
其中，衬底100可以为刚性衬底或柔性衬底；栅电极101位于衬底1 00上，栅电极101的材料包括ITO（氧化铟锡）、Mo、Al、Cu中的至少一种；第一绝缘介质层102作为栅介质层，位于所述栅电极101上，可以为SiO2、SiN或Al2O3；金属氧化物半导体有源区103位于所述第一绝缘介质层102上，并暴露出所述第一绝缘介质层102的顶部边缘；第二绝缘介质层104位于所述金属氧化物半导体有源区103上；源极105a与漏极105b，可以为单层结构或双层复合结构，覆盖所述金属氧化物半导体有源区103以及第二绝缘介质层104的侧壁，底部延伸并覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层102的顶部边缘，顶部延伸并覆盖所述第二绝缘介质层104顶部边缘。
值得注意的是，所述有机半导体有源区106与所述金属氧化物半导体有源区103作为源极105a与漏极105b之间两种类型的沟道，导电类型相反，例如，金属氧化物半导体有源区103的导电类型为N型，其材质为ZnO、ZO或IGZO（In-Ga-Zn-O氧化物）等时，所述有机半导体有源区106的导电类型为P型，材质可以为戊烷等。
请参考图2A，在本发明的一个具体实施例中，金属氧化物半导体有源区为N型，有机半导体有源区为P型，在栅电极101上加电压Vg+，源极105a接地，漏极105b加电压Vd+，此时，栅电极101和源极105a间的电压Vg+-Vgnd和漏极105b和源极105a之间的电压Vd+-Vgnd为正向偏置电压，源极105a与漏极105b之间的P型有机半导体有源区106处于耗尽态，其中的空穴被慢慢耗尽，而金属氧化物半导体有源区103处于积聚态，其中蓄积越来越多的电子，作为载流子，由此使得器件表现出n型TFT特性，可以看做是n型TFT，可实现n型驱动操作。
请参考图2B，在本发明的另一个具体实施例中，金属氧化物半导体有源区为N型，有机半导体有源区为P型，在栅电极101上加电压Vg-，源极105a接地，漏极105b加电压Vd-，此时，栅电极101和源极105a间的电压Vg--Vgnd和漏极105b和源极105a之间的电压Vd--Vgnd为反向偏置电压，源极105a与漏极105b之间的P型有机半导体有源区106处于积聚态，其中的空穴被慢慢蓄积，作为载流子，而金属氧化物半导体有源区103处于耗尽态，其中的电子被慢慢耗尽，由此使得器件表现出p型TFT特性，可以看做是p型TFT，可实现p型驱动操作。
请参考图3，本发明还提供一种上述的双极性薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：
S31，提供一衬底，并在所述衬底上形成栅电极；
S32，在所述栅电极上形成第一绝缘介质层；
S33，在所述第一绝缘介质层上形成金属氧化物层，刻蚀形成金属氧化物半导体有源区，所述金属氧化物半导体有源区暴露出所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
S34，在所述金属氧化物半导体有源区上形成第二绝缘介质层；
S35，在所述第二绝缘介质层和金属氧化物半导体有源区侧壁上形成源极和漏极，所述源极和漏极顶部覆盖所述第二绝缘介质层顶部边缘，底部覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
S36，在所述第二绝缘介质层、源极和漏极的顶部形成有机半导体有源区。
请参考图4A，在步骤S31中，提供的衬底可以是刚性衬底或柔性衬底，用ITO（氧化铟锡）、Mo、Al、Cu等靶材在衬底100上进行磁控溅射，以在衬底100上沉积一层导电薄膜，并湿法刻蚀形成栅电极101。
请继续参考图4A，用SiO2、SiN或Al2O3等材料在栅电极101上溅射或化学气相沉积绝缘薄膜，并刻蚀形成作为栅介质层的第一绝缘介质层102。
请继续参考图4A，用ZnO、ZO或IGZO等n型金属氧化物半导体材料，在第一绝缘介质层102上溅射或沉积金属氧化物半导体材料层，刻蚀形成金属氧化物半导体有源区103。
请继续参考图4A，用SiO2、SiN或Al2O3等材料在金属氧化物半导体有源区103上溅射或化学气相沉积绝缘薄膜，并刻蚀形成第二绝缘介质层104，第二绝缘介质层104可以完全覆盖金属氧化物半导体有源区103顶部，也可以覆盖金属氧化物半导体有源区103的中部区域，暴露出金属氧化物半导体有源区103顶部边缘。
请参考图4B，采用至少一种导电材料，第一绝缘介质层102、金属氧化物半导体有源区103以及第二绝缘介质层104的暴露表面沉积一层或双层导电薄膜，湿法刻蚀，形成源极105a与漏极105b，源极105a与漏极105b覆盖所述金属氧化物半导体有源区103以及第二绝缘介质层104的侧壁，底部延伸并覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层102的顶部边缘，源极105a与漏极105b顶部延伸并覆盖所述第二绝缘介质层104顶部边缘，源极105a与漏极105b之间有开口106a。需要说明的是，源极105a与漏极105b的材料可以与栅电极101相同，也可以与金属氧化物半导体有源区103的相同，也可以与后续形成有机半导体有源区相同；当源极105a与漏极105b为双层复合结构时，优选为金属氧化物半导体层和有机半导体堆叠的结构，以获得大大地减小接触电阻的效果并且能够获得良好的TFT特性。
请参考图4C，用戊烷等p型有机半导体材料在源极105a、漏极105b顶部以及第二绝缘介质层104顶部的开口106a表面旋转涂布或化学气相沉积有机半导体薄膜，刻蚀后形成有机半导体有源区106。
综上所述，本发明提供的双极性薄膜晶体管及其制造方法，利用高迁移率的金属氧化物半导体和有机半导体作为n型TFT和p型TFT的沟道材料，在不同的电压偏置下能够提供n型TFT和p型TFT两种驱动，同时本发明的双极性薄膜晶体管的结构和制作工艺简单。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双极性薄膜晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
栅电极，位于在所述衬底上；
第一绝缘介质层，位于所述栅电极上；
金属氧化物半导体有源区，位于所述第一绝缘介质层上并暴露出所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
第二绝缘介质层，位于所述金属氧化物半导体有源区上；
源极和漏极，覆盖所述金属氧化物半导体有源区以及第二绝缘介质层的侧壁，底部延伸并覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层的顶部边缘，顶部延伸并覆盖所述第二绝缘介质层顶部边缘；
有机半导体有源区，与所述金属氧化物半导体有源区的导电类型相反，覆盖在所述第二绝缘介质层、源极和漏极的顶部。
2.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底。
3.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极的材料包括ITO、Mo、Al、Cu中的至少一种。
4.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述第一绝缘介质层和第二绝缘介质层为SiO2、SiN或Al2O3。
5.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述金属氧化物半导体有源区的导电类型为N型，所述有机半导体有源区的导电类型为P型。
6.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述金属氧化物半导体有源区的材质为ZnO、ZO或IGZO。
7.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体有源区的材质为戊烷。
8.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，所述源极和漏极为单层结构或双层复合结构。
9.如权利要求1所述的双极性薄膜晶体管，其特征在于，当栅电极和源极间的电压和漏极和源极之间的电压为正向偏置电压时，所述双极性薄膜晶体管为N型薄膜晶体管；当栅电极和源极间的电压和漏极和源极之间的电压为反向偏置电压时，所述双极性薄膜晶体管为P型薄膜晶体管。
10.一种权利要求1至9中任一项所述的双极性薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，并在所述衬底上形成栅电极；
在所述栅电极上形成第一绝缘介质层；
在所述第一绝缘介质层上形成金属氧化物层，刻蚀形成金属氧化物半导体有源区，所述金属氧化物半导体有源区暴露出所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
在所述金属氧化物半导体有源区上形成第二绝缘介质层；
在所述第二绝缘介质层和金属氧化物半导体有源区侧壁上形成源极和漏极，所述源极和漏极顶部覆盖所述第二绝缘介质层顶部边缘，底部覆盖暴露出的部分所述第一绝缘介质层的顶部边缘；
在所述第二绝缘介质层、源极和漏极的顶部形成与所述金属氧化物半导体有源区的导电类型相反的有机半导体有源区。
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