CN106373998A - 一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了金属氧化物薄膜晶体管的制备方法。该方法包括如下步骤：在衬底上依次制备导电薄膜和金属层A，然后经图形化得到栅极；采用阳极氧化的方法在栅极上生长绝缘介质层，覆盖栅极作为栅介质层；采用溶液法在栅介质层上生长金属氧化物半导体层；采用电镀法在金属氧化物半导体层上生长金属层B；在金属氧化半导体层和金属层B的中间位置分别制备沟道区和钝化区；在大气压条件下对沟道区内的金属氧化物半导体和钝化区内的金属分别进行阳极氧化处理，得到沟道层和钝化层；制作漏区和源区。本发明为非真空电化学方法，所需设备简单便宜，只需在室温和大气环境下进行，无需经过高温或长时间退火，是一种操作简单、低成本的低温工艺，适用于大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体管制备方法，具体涉及一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法。
背景技术
目前，平板显示已经取代了传统笨重的阴极射线显像管(CRT)显示成为主流，薄膜晶体管是平板显示的核心技术。如手机、笔记本电脑、电视等大多采用的都是基于薄膜晶体管驱动的平板显示器。在薄膜晶体管技术中，金属氧化物薄膜晶体管已经吸引了国内外众多面板制造商的关注，是近几年来被广泛研究的一种新型薄膜晶体管技术。
与传统的非晶硅薄膜晶体管相比，金属氧化物薄膜晶体管具有载流子迁移率高、亚阈值摆幅陡的优势，更适合应用在高分辨率、高速、大尺寸显示中。与低温多晶硅薄膜晶体管相比，金属氧化物薄膜晶体管具有大面积均匀性好的优势，适合应用于大尺寸显示，而且金属氧化物薄膜晶体管能够在室温下制备，与柔性衬底相兼容。此外，金属氧化物薄膜晶体管还具有关态泄漏电流低的优点，使得在显示静态图像时，电路可以采用间歇驱动的工作模式，从而减少数据写入的次数，降低功耗，这种工作方式可以提高触摸屏的灵敏度。因此，金属氧化物薄膜晶体管汇集了非晶硅薄膜晶体管均匀性好和多晶硅薄膜晶体管迁移率高的优点，非常有希望应用于下一代高端显示中。金属氧化物薄膜晶体管采用的沟道层材料主要有氧化铟镓锌(IGZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、氧化锌锡(ZTO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)、氧化锡(SnO2)，氧化亚锡(SnO)、氧化亚铜(Cu2O)等。
在传统薄膜晶体管制备工艺中，成膜工艺通常采用以溅射为代表的物理气相淀积(PVD)法和等离子体化学气相淀积(PECVD)法，这些技术需要在苛刻的高真空环境下进行，采用昂贵复杂的真空设备，具有高成本、高污染、高能耗的缺点。因此，低成本的非真空制备工艺已成为人们积极开展的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种非真空金属氧化物薄膜晶体管制备方法，该方法能使晶体管的每一步成膜工艺都采用低成本的非真空技术实现。
本发明提供的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上依次制备导电薄膜和金属层A，然后经图形化，得到栅极；
2)采用阳极氧化的方法，在所述栅极上生长绝缘介质层，覆盖所述栅极，作为栅介质层；
3)采用溶液法，在所述栅介质层上生长金属氧化物半导体层；
4)采用电镀法，在所述金属氧化物半导体层上生长金属层B；
5)在所述金属氧化半导体层和所述金属层B的中间位置分别制备沟道区和钝化区；在大气压条件下，对所述沟道区内的所述金属氧化物半导体和所述钝化区内的所述金属分别进行阳极氧化处理，得到沟道层和钝化层；
6)制作漏区和源区，即得金属氧化物薄膜晶体管。
上述的制备方法中，步骤1)中，所述衬底为耐高温的玻璃衬底或非耐高温的柔性塑料衬底，耐高温的衬底例如玻璃衬底，非耐高温的柔性衬底例如塑料衬底。
上述的制备方法中，步骤1)中，所述图形化采用光刻技术，也可以采用直接印刷的技术。
上述的制备方法中，步骤1)中，所述导电薄膜的厚度为10～300纳米；
采用溶液法制备所述导电薄膜；
所述溶液法包括如下1)或2)的步骤：
1)将金属盐的前体溶液依次进行水解和缩合反应得到溶胶，所述溶胶依次经涂膜、干燥、烧结固化即可；
2)纳米颗粒的导电墨水或导电浆料依次经涂膜、干燥烧结固化即可；
所述涂膜的方式为旋涂、喷涂或直接印刷；
所述纳米颗粒为金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒；
所述金属纳米颗粒可为银(Ag)纳米颗粒、铜(Cu)纳米颗粒和镍(Ni)纳米颗粒中的至少一种；
所述金属氧化物纳米颗粒可为氧化铟锡(ITO)纳米颗粒、氧化铟锡掺氟(ITO:F)纳米颗粒、氧化锌掺铝(AZO)纳米颗粒和氧化锡掺锑(ATO)纳米颗粒中的至少一种。
上述的制备方法中，步骤1)中，所述金属层A的厚度为10～300纳米；
采用电镀的方法生长所述金属层A；
所述金属层A为下述1)或2)：
1)铝、铪、锆、钽和钛中至少一种材料形成的单层或多层薄膜；
2)铜与铝、铪、锆、钽和钛中至少一种材料形成的多层薄膜。
上述的制备方法中，步骤2)中，采用先恒流模式后恒压模式的阳极氧化方法；
所述阳极氧化方法的条件如下：
恒流时电流密度在0.01～10mA/cm2之间，当电压上升到预定值1～500V时转为恒压模式；在恒压模式下保0～3小时，但不为零，电流密度小于0.01mA/cm2；
所述栅介质层即为氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)和氧化钛(TiO2)的单层或多层薄膜。
上述的制备方法中，步骤3)中，所述溶液法包括如下1)或2)的步骤：
1)将金属盐的前体溶液依次进行水解和缩合反应得到溶胶，所述溶胶依次经涂膜、干燥、烧结固化即可；
2)纳米颗粒的导电墨水或导电浆料依次经涂膜、干燥烧结固化即可；
所述涂膜的方式为旋涂、喷涂或直接印刷；
所述纳米颗粒为氧化铟锡纳米颗粒、氧化铟纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒和氧化锌掺铝纳米颗粒中的至少一种。
上述的制备方法中，步骤4)中，所述金属层B为铝、铪、锆、钽和钛中至少一种材料形成的单层或多层薄膜。
上述的制备方法中，步骤5)中，所述沟道区和所述钝化区的制作方法如下：
在所述金属层B上涂覆光刻胶，对所述光刻胶进行曝光显影，则在所述金属层B的中间位置上露出的区域即为所述钝化区，其余区域被所述光刻胶层覆盖保护；
所述钝化区对应的所述金属氧化物半导体层上的区域即为所述沟道区。
上述的制备方法中，步骤5)中，所述阳极氧化处理采用先恒流模式后恒压模式阳极氧化方法；
所述阳极氧化方法的条件如下：
恒流时电流密度在0.01～10mA/cm2之间，当电压上升到预定值1～500V时转为恒压模式；在恒压模式下保持0～3小时，但不为零，电流密度小于0.01mA/cm2。
上述的制备方法中，步骤6)中，所述源区和所述漏区的制作方法包括如下步骤：
去除步骤5)中的所述光刻胶，对所述金属氧化物半导体层和所述金属层B进行光刻和刻蚀，即形成所述源区和所述漏区。
本发明具有如下优点：
本发明金属氧化物薄膜晶体管的栅极、栅介质、沟道层、钝化层、源极、漏极都采用非真空工艺实现，摆脱了传统真空工艺高成本、高污染、高能耗的缺点，大大降低了生产成本。更重要的是，在制备晶体管的栅介质层、钝化层以及沟道层中均采用了阳极氧化的技术，该技术作为一种非真空电化学方法，所需设备简单便宜，只需在室温和大气环境下进行，无需经过高温或长时间的退火，是一种操作简单、低成本的低温工艺，适用于大批量生产。而且阳极氧化过程中改变的工艺参数主要是氧化电压和氧化电流，提高了制作的可控性和可重复性。此外，在制备晶体管中采用的溶液法和电镀技术同样不需要昂贵复杂的设备，溶液法技术能够灵活有效地改变薄膜中各元素所占的比例，对薄膜的化学组成进行精确控制，适于制备多元金属氧化物薄膜。本发明可以广泛在薄膜晶体管领域中应用。
附图说明
图1是本发明制作的栅电极的示意图；
图2是本发明制作得栅介质层的示意图；
图3是本发明制作金属氧化物半导体层的示意图；
图4是本发明制作的金属层的示意图；
图5是本发明制作的沟道区的示意图；
图6是本发明制作包含源区、漏区和沟道区的有源区以及位于沟道区之上的钝化区示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：
1)如图1所示，选取玻璃衬底1，在玻璃衬底1上生长一层10～300纳米厚的透明导电氧化物薄膜—氧化铟锡(ITO)薄膜：将铟盐、锡盐和助燃剂溶于有机溶剂中得到混合溶液，将混合溶液通过旋涂或者喷涂的方式覆盖在玻璃衬底1上，经过300℃热处理3h。将得到的溶胶在玻璃衬底1上至少进行一次涂膜和高温处理，其中，优选实施例为将硝酸铟盐、氯化亚锡盐分别溶于乙二醇甲醚有机溶液中，并向溶液中加入氨水，加入乙酰丙酮助燃剂。将铟盐的有机溶液和锡盐的有机溶液搅拌12小时左右，将两种有机溶液按相应比例混合并搅拌2小时，将所得的混合液旋涂或者喷涂在玻璃衬底1上，在300℃热处理20min，涂膜热处理步骤可重复执行多次。氧化铟锡薄膜中铟锡元素的原子比为9：1。
然后在该透明导电薄膜上采用电镀的方法生长一金属层，该金属层可以是铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料组成的单层或多层薄膜，也可以是铜(Cu)与上述铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料构成的多层薄膜。
采用光刻和刻蚀工艺对该透明导电薄膜和金属层进行图形化，形成栅电极2，栅电极2是由透明导电氧化物薄膜和金属构成的双层材料组成。
2)如图2所示，在栅电极2上覆盖一层绝缘介质，作为栅介质层3；其中，在栅电极2上覆盖一层绝缘介质的方法如下：采用阳极氧化的方法在栅电极2上生长一层300纳米厚的绝缘介质，该绝缘介质是氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钽、氧化钛中的一种或者多种材料构成的单层或多层薄膜。
3)如图3所示，在玻璃衬底1上生成一层5～100纳米厚的金属氧化物半导体薄膜4，并覆盖在栅介质层3上，金属氧化物半导体薄膜4为金属氧化物半导体材料，可以是氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝(AZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟(In2O3)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)。该金属氧化物薄膜生长方法采用溶胶-凝胶的方法。以制备氧化铟锡(ITO)薄膜为例，溶胶-凝胶法具体为将铟盐、锡盐和助燃剂溶于有机溶剂中得到混合溶液，将所述的混合溶液通过旋涂或者喷涂的方式覆盖在衬底1上，在50～400℃热处理15min～5h。将所述溶胶在衬底上至少进行一次涂膜和高温处理。其中，具体的优选实施例为将硝酸铟盐、氯化亚锡盐分别溶于乙二醇甲醚有机溶液中，并向溶液中加入氨水，加入乙酰丙酮助燃剂。将铟盐的有机溶液和锡盐的有机溶液搅拌12小时左右，将所述两种有机溶液按相应比例混合并搅拌2小时，将所得的混合液旋涂或者喷涂在衬底1上，在250℃～350℃热处理20min,涂膜热处理步骤可重复执行多次。
4)如图4所示，在金属氧化物半导体薄膜4上采用电镀的方法生长一金属层5，金属层5可以是铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料组成的单层或多层薄膜。
5)如图5所示，在金属氧化物半导体薄膜4中间位置上制备沟道区6，在金属层5中间位置上制备钝化区7，钝化区7位于沟道区6的上部。其中，沟道区6和钝化区7的制备方法如下：在金属层5上涂覆光刻胶51，然后对光刻胶61进行曝光显影，使在金属层5中间位置的钝化区7露出，该钝化区7对应的金属氧化物半导体层4上的区域即为沟道区6，其余部分被光刻胶层覆盖保护。在室温和大气环境下对沟道区6的金属氧化物半导体和钝化区7的金属进行阳极氧化处理，阳极氧化使高载流子浓度的金属氧化物半导体4变为低载流子浓度的半导体，使金属5变为绝缘的金属氧化物介质。低载流子浓度的金属氧化物半导体层为本发明薄膜晶体管的沟道层，绝缘的金属氧化物介质层成为钝化层。
对沟道区6的金属氧化物半导体和钝化区7的金属进行阳极氧化处理方法为：采用先恒流模式氧化后恒压模式的氧化方法，即恒流时电流密度在0.01～10mA/cm2之间，当电压上升到预定值1～500V时转为恒压模式，在恒压模式下保持1min～1h之间，阳极氧化过程完成。
6)如图6所示，制作源区8和漏区9，形成包含源区8、漏区9和沟道区6的有源区；源区8及漏区9位于沟道区6两侧，并与沟道区6相连，源区8和漏区9由未经过阳极氧化处理的氧化物半导体薄膜4和金属层5的双层材料组成；其中，源区8和漏区9的制作方法为：去除光刻胶51，对氧化物半导体薄膜4、金属层5进行光刻和刻蚀，形成包含源区8、漏区9和沟道区6的有源区。完成金属氧化物薄膜晶体管的制备。
实施例2：
本实施例的金属氧化物薄膜晶体管的制作方法与实施例1中公开的方法类似，其不同之处如下：
步骤1)中，选取塑料衬底1，在塑料衬底1上生长10～300纳米厚第一金属层，该金属层为金属材料，可以是银或铜。生长金属层的具体方法为将纳米银或者纳米铜导电墨水直接印刷在衬底上，经过热处理，烧结固化成膜。
然后在该第一金属层上采用电镀的方法生长第二金属层，形成栅电极2，该栅电极2由第一金属和第二金属构成的双层材料组成。其中，第二金属层可以是铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料组成的单层或多层薄膜，也可以是铜(Cu)与上述铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料构成的多层薄膜。
实施例3：
本实施例的金属氧化物薄膜晶体管的制作方法与实施例1中公开的方法类似，其不同之处如下：
步骤1)中，选取塑料衬底1，在塑料衬底1上生长一层5～300纳米后的透明导电氧化物薄膜，该透明导电氧化物薄膜为金属氧化物材料，可以是氧化铟锡(ITO)、氧化锡掺氟(FTO)，氧化铟锡掺氟(ITO:F)、氧化锌掺铝(AZO)、氧化锡掺锑(ATO)等，其中，透明导电氧化物薄膜的生长方法采用印刷纳米颗粒墨水的方法。优选实施例为采用氧化铟锡(ITO)纳米晶体墨水直接印刷在塑料衬底1上，经过热处理，烧结固化成膜。
然后在该透明导电氧化物薄膜上采用电镀的方法生长一金属层，形成栅电极2，该栅电极2由透明导电氧化物薄膜和金属构成的双层材料组成。其中，金属层可以是铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料组成的单层或多层薄膜，也可以是铜(Cu)与上述铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)中的一种或者多种材料构成的多层薄膜。
实施例4：
本实施例的金属氧化物薄膜晶体管的制作方法与实施例1中公开的方法类似，其不同之处如下：
步骤3)中，在衬底1上生成一层5～100纳米厚的金属氧化物半导体薄膜4，并覆盖在栅介质层3上，金属氧化物半导体薄膜4为金属氧化物半导体材料，可以是氧化铟锡(ITO)、氧化锌铝(AZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)、氧化铟(In2O3)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡锌(ITZO)。该金属氧化物薄膜生长方法采用旋涂纳米颗粒墨水的方法。优选实施例为采用氧化铟锡(ITO)纳米晶体墨水旋涂在衬底1上，经过热处理，烧结固化成膜。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (9)
1.一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1)在衬底上依次制备导电薄膜和金属层A，然后经图形化，得到栅极；
2)采用阳极氧化的方法，在所述栅极上生长绝缘介质层，覆盖所述栅极，作为栅介质层；
3)采用溶液法，在所述栅介质层上生长金属氧化物半导体层；
4)采用电镀法，在所述金属氧化物半导体层上生长金属层B；
5)在所述金属氧化半导体层和所述金属层B的中间位置分别制备沟道区和钝化区；在大气压条件下，对所述沟道区内的所述金属氧化物半导体和所述钝化区内的所述金属分别进行阳极氧化处理，得到沟道层和钝化层；
6)制作漏区和源区，即得金属氧化物薄膜晶体管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，采用溶液法制备所述导电薄膜；
所述溶液法包括如下1)或2)的步骤：
1)将金属盐的前体溶液依次进行水解和缩合反应得到溶胶，所述溶胶依次经涂膜、干燥、烧结固化即可；
2)纳米颗粒的导电墨水或导电浆料依次经涂膜、干燥烧结固化即可；
所述涂膜的方式为旋涂、喷涂或直接印刷；
所述纳米颗粒为金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒；
所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒和镍纳米颗粒中的至少一种；
所述金属氧化物纳米颗粒为氧化铟锡纳米颗粒、氧化铟锡掺氟纳米颗粒、氧化锌掺铝纳米颗粒和氧化锡掺锑纳米颗粒中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，采用电镀的方法生长所述金属层A；
所述金属层A为下述1)或2)：
1)铝、铪、锆、钽和钛中至少一种材料形成的单层或多层薄膜；
2)铜与铝、铪、锆、钽和钛中至少一种材料形成的多层薄膜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用先恒流模式后恒压模式的阳极氧化方法；
所述阳极氧化方法的条件如下：
恒流时电流密度在0.01～10mA/cm2之间，当电压上升到预定值1～500V时转为恒压模式；在恒压模式下保持0～3小时，但不为零，电流密度小于0.01mA/cm2。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述溶液法包括如下1)或2)的步骤：
1)将金属盐的前体溶液依次进行水解和缩合反应得到溶胶，所述溶胶依次经涂膜、干燥、烧结固化即可；
2)纳米颗粒的导电墨水或导电浆料依次经涂膜、干燥烧结固化即可；
所述涂膜的方式为旋涂、喷涂或直接印刷；
所述纳米颗粒为氧化铟锡纳米颗粒、氧化铟纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒和氧化锌掺铝纳米颗粒中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述金属层B为铝、铪、锆、钽和钛中至少一种材料形成的单层或多层薄膜。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述沟道区和所述钝化区的制作方法如下：
在所述金属层B上涂覆光刻胶，对所述光刻胶进行曝光显影，则在所述金属层B的中间位置上露出的区域即为所述钝化区，其余区域被所述光刻胶层覆盖保护；
所述钝化区对应的所述金属氧化物半导体层上的区域即为所述沟道区。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述阳极氧化处理采用先恒流模式后恒压模式阳极氧化方法；
所述阳极氧化方法的条件如下：
恒流时电流密度在0.01～10mA/cm2之间，当电压上升到预定值1～500V时转为恒压模式；在恒压模式下保持0～3小时，但不为零，电流密度小于0.01mA/cm2。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于：步骤6)中，所述源区和所述漏区的制作方法包括如下步骤：
去除步骤5)中的所述光刻胶，对所述金属氧化物半导体层和所述金属层B进行光刻和刻蚀，即形成所述源区和所述漏区。
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