CN108091700A - 薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜晶体管及其制造方法，制造方法包括：第一道光刻工艺，在衬底上形成第一金属层，采用第一光罩及第一光阻层刻蚀形成栅极；第二道光刻工艺，在衬底及栅极上形成栅绝缘层及第二金属层，采用第二光罩及第二光阻层刻蚀形成有源层沟道及位于有源层沟道两侧的源极和漏极，在有源层沟道内及第二光阻层表面沉积形成有源层，剥离第二光阻层，保留在有源层沟道内的有源层；第三道光刻工艺，在有源层、源极和漏极上方形成钝化层，采用第三光罩及第三光阻层在钝化层上刻蚀形成过孔；第四道光刻工艺，在钝化层上方及过孔内形成第三金属层，采用第四光罩及第四光阻层刻蚀第三金属层，形成与源极或漏极电性连接的电极。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管技术领域，特别是涉及一种薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)被广泛地用于平板显示，柔性电子和传感应用方面。最常见的薄膜晶体管是用非晶硅或者多晶硅作为晶体管的导电沟道。非晶硅薄膜晶体管能满足大面积和由低到中等显示速度的要求，一致性好。多晶硅薄膜晶体管一个优点是迁移率很高。然而这两种晶体管都有自己的局限。非晶硅对光特别敏感，并且非晶硅器件的载流子迁移率低，所以它不能满足帧速率高达120Hz甚至更高的高速显示器的要求。尽管多晶硅薄膜晶体管的迁移率足够高，但是它成本高，大面积均一性不佳，并且缺乏弹性和透明度，这对透明柔性器件来说是致命的。金属氧化物薄膜晶体管能够同时满足显示器所要求的迁移率与透明度。然而，现在的金属氧化物薄膜晶体管并不稳定，因为它对光照、温度和水蒸气敏感，并且它在负偏置照明应力的作用下不稳定，导致阈值电压向负偏置电压方向漂移。
碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)自1991年被发现以来，一直得到学术界和工业界的广泛关注和研究。碳纳米管由于其优异的电学性能，良好的导热性，机械强度好，被广泛应用在显示、传感器、RF(Radio Freqency，射频)电路、柔性电路等领域，展示出了巨大的应用潜能。在碳纳米管薄膜晶体管中，碳纳米管通常被用作有源层材料。
TFT制造的核心是光刻技术，而光刻技术工艺中最为关注的是掩模版，其是转移微细图形的母版，主要用于阵列基板工艺的批量复制生产，是TFT-LCD产业链中不可或缺的重要环节，掩模版使用数目的减少可有效削减设备投资、缩短制程周期。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种薄膜晶体管及其制造方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种薄膜晶体管及其制造方法，以优化薄膜晶体管的制程工艺，降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种薄膜晶体管的制造方法，所述制造方法包括：
第一道光刻工艺，在衬底上形成第一金属层，采用第一光罩及第一光阻层刻蚀形成栅极；
第二道光刻工艺，在衬底及栅极上形成栅绝缘层及第二金属层，采用第二光罩及第二光阻层刻蚀形成有源层沟道及位于有源层沟道两侧的源极和漏极，在有源层沟道内及第二光阻层表面沉积形成有源层，剥离第二光阻层，保留在有源层沟道内的有源层；
第三道光刻工艺，在有源层、源极和漏极上方形成钝化层，采用第三光罩及第三光阻层在钝化层上刻蚀形成过孔；
第四道光刻工艺，在钝化层上方及过孔内形成第三金属层，采用第四光罩及第四光阻层刻蚀第三金属层，形成与源极或漏极电性连接的电极。
作为本发明的进一步改进，所述第一道光刻工艺具体为：
在衬底上形成第一金属层；
在第一金属层上形成第一光阻层；
采用第一光罩刻蚀第一光阻层及第一金属层；
剥离第一光阻层后在衬底上形成栅极。
作为本发明的进一步改进，所述第二道光刻工艺具体为：
在衬底及栅极上形成栅绝缘层；
在栅极绝缘层上形成第二金属层；
在第二金属层上形成第二光阻层；
采用第二光罩刻蚀栅极上方区域至栅极绝缘层，形成有源层沟道及位于有源层沟道两侧的源极和漏极；
在有源层沟道内及第二光阻层表面沉积形成有源层；
剥离第二光阻层及其上方的有源层，保留在有源层沟道内的有源层。
作为本发明的进一步改进，所述第三道光刻工艺具体为：
在有源层、源极和漏极上方形成钝化层；
在钝化层上形成第三光阻层；
采用第三光罩刻蚀源极或漏极上方区域至源极或漏极；
剥离第三光阻层，在钝化层上刻蚀形成过孔。
作为本发明的进一步改进，所述第四道光刻工艺具体为：
在钝化层上方及过孔内形成第三金属层；
在第三金属层上形成第四光阻层；
采用第四光罩刻蚀过孔旁侧的第三金属层，至少保留过孔内的第三金属层；
剥离第四光阻层，形成与源极或漏极电性连接的电极。
作为本发明的进一步改进，所述有源层为碳纳米管有源层。
作为本发明的进一步改进，所述制造方法还包括：
在每一道光刻工艺之前进行清洗工艺。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管包括：
衬底；
位于衬底上的栅极；
位于衬底及栅极上的栅极绝缘层；
位于栅极绝缘层上的源极和漏极、以及位于源极和漏极之间的有源层沟道；
位于有源层沟道内的有源层；
位于源极、漏极、及有源层上方的钝化层，所述钝化层上设有贯穿的过孔；
位于钝化层上且贯穿所述过孔的电极，所述电极与源极或漏极电性连接。
作为本发明的进一步改进，所述有源层为碳纳米管有源层。
作为本发明的进一步改进，所述薄膜晶体管为底栅型薄膜晶体管。
本发明仅使用四道光罩进行相应的光刻工艺即可完成薄膜晶体管的制造，第二道光刻工艺中采用剥离(lift off)工艺在剥离光阻时直接制备出了有源层沟道，优化了制程工艺，减少了光罩数量，降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中薄膜晶体管制造方法的流程图。
图2～图20为本发明一具体实施例中薄膜晶体管的制造工艺图，其中，图20为薄膜晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
随着TFT结构的变化和加工工艺的改进，TFT制造工艺中使用掩模版的数量也同步减少。早期的TFT器件多采用背沟道保护型结构，一般用7掩模版或6掩模版光刻工艺实现TFT阵列基板，10年前采用背沟道刻蚀型TFT器件结构的5掩模版技术实现量产，随后4掩模版技术在5代生产线中的成功开发和成熟应用，大大减小了TFT LCD的加工时间和加工成本。在7掩模版工艺向6掩模版工艺转变中，最核心的工艺是去掉了a-Si∶H有源层上的SiNx保护层，将栅绝缘层、a-Si∶H层、n+、a-Si欧姆接触层进行连续生长，只用一个掩模版形成有源层Si岛，从而减少了掩模版数目，完成了背沟道保护型器件向背沟道刻蚀型器件的转变,其也是当前产业界普遍采用的结构方式。
而5掩模版工艺(参表1)是在6掩模版的基础上，将TFT漏极与ITO像素电极之间的互连过孔以及周边栅极引线区的引线焊接衬垫(PAD)与外部驱动电路引线的互连过孔图形同步完成，减少了一次掩模版工艺。4掩模版工艺(参表2)是以5掩模版工艺为基准，利用灰阶或半阶光刻工艺，将有源层光刻(Active掩模版)与源漏极光刻(S/D掩模版)合并成一个掩模版，即通过控制沟道区与其他区域曝光量的比例，实现对不同区域的光刻，从而完成原来Active掩模版和S/D掩模版的功能，即通过一次掩模版工艺达到两次掩模版工艺的效果。
表1：5掩膜版工艺
表2：常规4掩膜版工艺
本发明公开了一种薄膜晶体管，包括：
衬底；
位于衬底上的栅极；
位于衬底及栅极上的栅极绝缘层；
位于栅极绝缘层上的源极和漏极、以及位于源极和漏极之间的有源层沟道；
位于有源层沟道内的有源层；
位于源极、漏极、及有源层上方的钝化层，所述钝化层上设有贯穿的过孔；
位于钝化层上且贯穿所述过孔的电极，所述电极与源极或漏极电性连接。
参图1并结合表3所示，本发明还公开了一种薄膜晶体管的制造方法，包括以下步骤：
第一道光刻工艺，在衬底上形成第一金属层，采用第一光罩及第一光阻层刻蚀形成栅极；
第二道光刻工艺，在衬底及栅极上形成栅绝缘层及第二金属层，采用第二光罩及第二光阻层刻蚀形成有源层沟道及位于有源层沟道两侧的源极和漏极，在有源层沟道内及第二光阻层表面沉积形成有源层，剥离第二光阻层，保留在有源层沟道内的有源层；
第三道光刻工艺，在有源层、源极和漏极上方形成钝化层，采用第三光罩及第三光阻层在钝化层上刻蚀形成过孔；
第四道光刻工艺，在钝化层上方及过孔内形成第三金属层，采用第四光罩及第四光阻层刻蚀第三金属层，形成与源极或漏极电性连接的电极。
表3：本发明4掩膜版工艺
本发明的第二道光刻工艺中，以第二金属层上的光阻层为有源层光阻，采用剥离(lift off)工艺制备有源层，光阻洗脱液去除光阻的同时也使有源层图形化，直接制备出了有源层沟道。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图19所示为本发明一具体实施例中的薄膜晶体管，包括：
衬底10；
位于衬底上的栅极21；
位于衬底及栅极上的栅极绝缘层30；
位于栅极绝缘层上的源极41和漏极42、以及位于源极和漏极之间的有源层沟道51；
位于有源层沟道51内的有源层50；
位于源极41、漏极42、及有源层上方的钝化层60，钝化层60上设有贯穿的过孔71；
位于钝化层60上且贯穿过孔的电极72，电极72与源极41电性连接。
当然，在其他实施例中电极72也可以设置于漏极42上方，通过过孔同样可以与漏极42电性连接。
本实施例中薄膜晶体管为底栅型薄膜晶体管，有源层50为碳纳米管(carbonnanotube，简称为CNT)有源层。在其他实施例中，有源层也可以为石墨烯、黑磷等。
具体地，以下结合图2～图19对本实施例中的薄膜晶体管制造方法进行详细说明。
第一道光刻工艺：
参图2所示，在衬底10上形成第一金属层20；
然后在第一金属层20上形成第一光阻层91；
参图3、图4所示，采用第一光罩刻蚀第一光阻层91及第一金属层20；
参图5所示，剥离第一光阻层91后在衬底10上形成栅极21。
第二道光刻工艺：
参图6所示，在衬底10及栅极21上形成栅绝缘层30；
参图7所示，在栅极绝缘层30上形成第二金属层40；
参图8所示，在第二金属层40上形成第二光阻层92；
参图9、图10所示，采用第二光罩刻蚀栅极上方区域至栅极绝缘层30，形成有源层沟道51及位于有源层沟道两侧的源极41和漏极42；
参图11所示，在有源层沟道51内及第二光阻层92表面沉积形成有源层50；
参图12所示，剥离第二光阻层92及其上方的有源层，保留在有源层沟道51内的有源层50。
第三道光刻工艺：
参图13所示，在有源层50、源极41和漏极42上方形成钝化层60；
参图14所示，在钝化层60上形成第三光阻层93；
参图15、16所示，采用第三光罩刻蚀源极41上方区域至源极；
然后剥离第三光阻层93，在钝化层60上刻蚀形成过孔71。
第四道光刻工艺：
参图17所示，在钝化层60上方及过孔内形成第三金属层70；
参图18所示，在第三金属层70上形成第四光阻层94；
参图19所示，采用第四光罩刻蚀过孔71旁侧的第三金属层70，至少保留过孔内的第三金属层70；
参图20所示，剥离第四光阻层94，形成与源极41电性连接的电极72。
附图中各膜层的厚度和区域的大小形状不反映薄膜晶体管和阵列基板各部件的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
优选地，衬底10可以是柔性衬底，例如PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二酯)衬底、PI(Polyimide，聚酰亚胺)衬底等。当然也可以是硬质衬底，例如，玻璃衬底、氧化硅衬底、氮化硅衬底等。
本发明实施例中，可以采用溅射方法沉积金属层，通过构图工艺形成薄膜晶体管的栅极21、源极41和漏极42，可以采用Mo、Al、Cr等金属材料、合金材料或其他复合导电材料。
钝化层(passivation layer)60可以采用PECVD沉积，材料可以为氧化硅、氮化硅(SiNx)等绝缘材料。
电极72可以为ITO电极(Indium tin oxide，ITO，氧化铟锡)，但本公开不限定于此。
栅绝缘层30可以采用PECVD沉积，材料可以为氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)等绝缘材料。
在氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)表面通过溶液制程(例如spin-coating，dip-coating等)涂布一层半导体型碳纳米管薄膜；
在示例性实施例中，由于碳纳米管(carbon nanotube，简称为CNT)材料具有较高的迁移率，因此，可以利用碳纳米管材料来制作有源层50。但本公开并不限定于此，有源层50除可以采用CNT材料外，还可以采用硅纳米线、III-V族纳米线等一维材料以及其他含有交叠结构即X，Y型结构的半导体材料。
其中，上述碳纳米管可以通过现有技术中碳纳米管的制作方法进行制作，在此不再详述。例如，可以采用电弧法(或热等离子体法，激光烧蚀法)制备的单壁碳纳米管粉末，与含聚合物的甲苯溶液进行混合，经过分散，离心，过滤后，重新分散得到半导体性单壁碳纳米管的溶液，再进一步使用该碳纳米管的溶液制作本发明实施例中的薄膜晶体管的有源层50。
由以上技术方案可以看出，本发明仅使用四道光罩进行相应的光刻工艺即可完成薄膜晶体管的制造，第二道光刻工艺中采用剥离(lift off)工艺在剥离光阻时直接制备出了有源层沟道，优化了制程工艺，减少了光罩数量，降低了生产成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
第一道光刻工艺，在衬底上形成第一金属层，采用第一光罩及第一光阻层刻蚀形成栅极；
第二道光刻工艺，在衬底及栅极上形成栅绝缘层及第二金属层，采用第二光罩及第二光阻层刻蚀形成有源层沟道及位于有源层沟道两侧的源极和漏极，在有源层沟道内及第二光阻层表面沉积形成有源层，剥离第二光阻层，保留在有源层沟道内的有源层；
第三道光刻工艺，在有源层、源极和漏极上方形成钝化层，采用第三光罩及第三光阻层在钝化层上刻蚀形成过孔；
第四道光刻工艺，在钝化层上方及过孔内形成第三金属层，采用第四光罩及第四光阻层刻蚀第三金属层，形成与源极或漏极电性连接的电极。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一道光刻工艺具体为：
在衬底上形成第一金属层；
在第一金属层上形成第一光阻层；
采用第一光罩刻蚀第一光阻层及第一金属层；
剥离第一光阻层后在衬底上形成栅极。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第二道光刻工艺具体为：
在衬底及栅极上形成栅绝缘层；
在栅极绝缘层上形成第二金属层；
在第二金属层上形成第二光阻层；
采用第二光罩刻蚀栅极上方区域至栅极绝缘层，形成有源层沟道及位于有源层沟道两侧的源极和漏极；
在有源层沟道内及第二光阻层表面沉积形成有源层；
剥离第二光阻层及其上方的有源层，保留在有源层沟道内的有源层。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第三道光刻工艺具体为：
在有源层、源极和漏极上方形成钝化层；
在钝化层上形成第三光阻层；
采用第三光罩刻蚀源极或漏极上方区域至源极或漏极；
剥离第三光阻层，在钝化层上刻蚀形成过孔。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第四道光刻工艺具体为：
在钝化层上方及过孔内形成第三金属层；
在第三金属层上形成第四光阻层；
采用第四光罩刻蚀过孔旁侧的第三金属层，至少保留过孔内的第三金属层；
剥离第四光阻层，形成与源极或漏极电性连接的电极。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述有源层为碳纳米管有源层。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在每一道光刻工艺之前进行清洗工艺。
8.一种根据权利要求1～7中任一项薄膜晶体管的制造方法制备得到的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管包括：
衬底；
位于衬底上的栅极；
位于衬底及栅极上的栅极绝缘层；
位于栅极绝缘层上的源极和漏极、以及位于源极和漏极之间的有源层沟道；
位于有源层沟道内的有源层；
位于源极、漏极、及有源层上方的钝化层，所述钝化层上设有贯穿的过孔；
位于钝化层上且贯穿所述过孔的电极，所述电极与源极或漏极电性连接。
9.根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述有源层为碳纳米管有源层。
10.根据权利要求8所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管为底栅型薄膜晶体管。
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