CN110998857A - 一种薄膜晶体管及其制备方法与薄膜晶体管阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜晶体管及其制备方法与薄膜晶体管阵列，包括：基底层；位于基底层上的缓冲层；位于缓冲层上彼此隔开的源极和漏极；位于源极、漏极以及源极与漏极之间缓冲层上的金属氧化物半导体层；位于源极、漏极、金属氧化物半导体层以及缓冲层上的第一绝缘层；其中，第一绝缘层由有机材料和分散在有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；位于第一绝缘层上的栅极。本申请通过以有机材料及分散在有机材料中的金属氧化物纳米颗粒作为第一绝缘层，在提高第一绝缘层介电常数的同时降低薄膜晶体管的制作成本；通过在第一绝缘层中添加感光材料，不需要通过传统的光刻胶与光刻胶剥离制作图案，简化了薄膜晶体管的制作工艺，降低了制作成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，尤其涉及一种薄膜晶体管及其制备方法与薄膜晶体管阵列。
背景技术
随着显示科技的发展，各种显示设备如液晶显示(LCD)设备、有机电致发光显示(OLED)设备、或无机电致发光显示(IELD)设备已经得到广泛应用。而液晶显示(LCD)设备中的每个液晶像素点都由集成在像素点后面的薄膜晶体管(TFT)来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏信息，是目前最好的彩色显示设备之一。
薄膜晶体管主要包括栅极、绝缘层、半导体层、源极和漏极。其中，源极和漏极间隔设置并与半导体层电连接，栅极通过绝缘层与半导体层及源极和漏极间隔绝缘设置。现有用于薄膜晶体管的绝缘层材料包括无机绝缘材料和有机绝缘材料。无机绝缘材料作为薄膜晶体管的绝缘层时需要利用价格高昂的等离子体增强化学气相沉积设备并且需要经过多次沉积以获得均匀和合适厚度的绝缘层，导致绝缘层制造成本高，制造工序复杂。有机材料作为绝缘层虽然可以克服上述无机绝缘材料的问题，但有机绝缘材料介电常数较低，导致薄膜晶体管连接到存储电容器的电容降低，进而造成薄膜晶体管在像素电极产生的反冲电压减小，反冲电压减小造成诸如闪烁、图像粘滞、以及亮度不均匀等设备显示问题。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种薄膜晶体管及其制备方法与薄膜晶体管阵列，克服现有技术中使用无机绝缘材料作为薄膜晶体管的绝缘层成本较高，制造工序复杂，而使用有机绝缘材料作为薄膜晶体管的绝缘层介电常数低，容易造成诸如闪烁、图像粘滞、以及亮度不均匀等设备显示问题的缺陷。
本发明所公开的第一实施例为一种薄膜晶体管，其中，包括：
基底层；
位于所述基底层上的缓冲层；
位于所述缓冲层上彼此隔开的源极和漏极；
位于所述源极、漏极以及所述源极与漏极之间缓冲层上的金属氧化物半导体层；
位于所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上的第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层由有机材料和分散在所述有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；
位于所述第一绝缘层上的栅极。
所述的薄膜晶体管，其中，所述金属氧化物纳米颗粒包括五氧化二钽、二氧化钛、二氧化铪、氧化铝、三氧化二钇中的一种。
所述的薄膜晶体管，其中，所述第一绝缘层的介电常数为7～10。
所述的薄膜晶体管，其中，所述第一绝缘层还包括分散于所述有机材料中的感光材料。
所述的薄膜晶体管，其中，所述感光材料为重氮萘醌磺酸酯。
所述的薄膜晶体管，其中，所述有机材料为酚醛树脂。
所述的薄膜晶体管，其中，还包括位于所述第一绝缘层和栅极上的第二绝缘层，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层具有漏出所述漏极的漏接触孔。
所述的薄膜晶体管，其中，还包括位于所述第二绝缘层和所述漏接触孔上的ITO层。
本发明所公开的第二实施例为一种薄膜晶体管的制备方法，其中，包括步骤：
在基底层上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成彼此隔开的源极和漏极；
在所述源极、漏极和所述源极和漏极之间缓冲层上形成金属氧化物半导体层；
在所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上形成第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层由有机材料和分散在所述有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；
在所述第一绝缘层上形成栅极。
所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述第一绝缘层还包括分散于所述有机材料中的感光材料。
所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述在所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上形成第一绝缘层的步骤具体包括：
将金属氧化物纳米颗粒和感光材料通过物理力或化学力分散在有机材料溶液中，得到掺杂的有机材料溶液；
将所述掺杂的有机材料溶液涂覆到所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上，干燥固化形成第一绝缘层。
所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，所述将所述掺杂的有机材料溶液涂覆到所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上，干燥固化形成第一绝缘层的步骤之后还包括：
对所述第一绝缘层进行曝光、显影，在所述第一绝缘层上形成图案。
所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，还包括步骤：
在所述栅极和所述第一绝缘层上形成第二绝缘层。
所述的薄膜晶体管的制备方法，其中，还包括步骤：
在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层上形成漏接触孔；
在所述第二绝缘层和所述漏接触孔上形成ITO层。
本发明所公开的第三实施例为一种薄膜晶体管阵列，其中，至少包括所述的薄膜晶体管。
有益效果：本发明提供了一种薄膜晶体管及其制备方法与薄膜晶体管阵列，通过以有机材料及分散在有机材料中的金属氧化物纳米颗粒作为第一绝缘层，在提高第一绝缘层介电常数的同时降低薄膜晶体管的制作成本；通过在第一绝缘层中添加感光材料，不需要通过传统的光刻胶与光刻胶剥离制作图案，简化了薄膜晶体管的制作工艺，降低了制作成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种薄膜晶体管的结构示意图；
图2是本发明提供的一种薄膜晶体管的制备方法的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于现有技术中使用无机绝缘材料作为薄膜晶体管的绝缘层成本较高，制造工序复杂，而使用有机绝缘材料作为薄膜晶体管的绝缘层介电常数低，导致薄膜晶体管连接到存储电容器的电容降低，进而造成薄膜晶体管在像素电极产生的反冲电压减小，反冲电压减小造成诸如闪烁、图像粘滞、以及亮度不均匀等设备显示问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种薄膜晶体管，如图1所示，所示薄膜晶体管包括：基底层10；位于所述基底层10上的缓冲层20；位于所述缓冲层20上彼此隔开的源极30和漏极40；位于所述源极30、漏极40和所述源极30和漏极40之间缓冲层20上的金属氧化物半导体层50；位于所述源极30、漏极40、金属氧化物半导体层50以及所述缓冲层20上的第一绝缘层60；其中，所述第一绝缘层60由有机材料61和分散在所述有机材料61中的金属氧化物纳米颗粒62组成；位于所述第一绝缘层60上的栅极70。具体实施时，使用有机材料61作为第一绝缘层60，能够克服无机绝缘材料需要使用昂贵的等离子体增强化学气象沉积成本高，制作工序复杂的问题。而通过在有机材料61中添加金属氧化物纳米颗粒62，能够克服有机材料61介电常数低的问题。
在一具体实施方式中，所述基底层10包括玻璃、透明塑料材料如聚醚砜、聚丙烯酸酯、聚醚酰亚胺等。所述缓冲层20包括无机材料，例如氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化铝等，或有机材料，例如聚酰亚胺、聚酯或丙烯等。所述缓冲层20用于使基底层10表面平坦化，以利于后续源极30、漏极40和金属氧化物半导体层50的形成。并且所述缓冲层20可以有效地防止杂质或水分从基底层10渗透到上面的源极30、漏极40或金属氧化物半导体层50，从而影响薄膜晶体管的使用性能。
在一具体实施方式中，所述源极30和漏极40包括金属如铜、铝、钨、金、银、钼等，或导电半导体材料如掺杂的多晶硅等。在一具体实施例中所述源极30和漏极40为金属钼。所述源极30和漏极40位于所述缓冲层20上并彼此隔开一段距离形成源漏电极沟道。所述源极30、漏极40及源漏电极沟道上形成有金属氧化物半导体层50，所述金属氧化物半导体层50包括非晶硅、低温多晶硅、氧化物如铟镓氧化物、铟锌氧化物、化合物半导体如SiGe、GaAs等。
在一具体实施方式中，所述有机材料61为酚醛树脂。由于现有的有机聚材料的介电常数通常为3.8～4左右，为了提高第一绝缘层60的介电常数，本实施例中在有机材料61中掺入金属氧化物纳米颗粒62，所述金属氧化物纳米颗粒62包括五氧化二钽、二氧化钛、二氧化铪、氧化铝、三氧化二钇中的一种，上述金属氧化物均为高介电常数闸极绝缘材料，将其加入有机材料61中，能够显著提高有机材料61的介电常数。有机材料61和金属氧化物纳米颗粒62可以通过物理力和化学力来分散，例如，可通过利用诸如剪应力的物理力的搅动在有机材料61溶液中分散金属氧化物纳米颗粒62。或者，可通过利用化学力的化学键在有机材料61溶液中分散金属氧化物纳米颗粒62。然后在源极30、漏极40、金属氧化物半导体层50以及缓冲层20上涂覆掺杂有金属氧化物纳米颗粒的有机材料溶液并干燥固化形成第一绝缘层60。所述第一绝缘层60可以通过旋涂法、涂敷法、滚涂法、印刷法以及喷涂法等沉积在源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上。
在一具体实施方式中，金属氧化物纳米颗粒62添加量越高，则所述第一绝缘层60介电常数越高。由于第一绝缘层60的介电常数与包含薄膜晶体管的阵列基板上的存储电容器的存储电容成正比，而存储电容又与薄膜晶体管在像素电极上产生的反冲电压成反比，因而通过增加第一绝缘层60的介电常数，可以减小薄膜晶体管在像素电极上产生的反冲电压，进而减小反冲电压引起的诸如闪烁、图像粘滞、以及亮度不均匀等显示问题，提高显示设备的显示质量。但第一绝缘层60的介电常数太高，会引起薄膜晶体管的边缘化效应，进而影响薄膜晶体管制备过程中的光刻深度以及产生布线时的爬坡等问题。在一具体实施例中，所述金属氧化物纳米颗粒62添加量使第一绝缘层60的介电常数在7～10为宜。
在一具体实施方式中，由于现有技术中在制作第一绝缘层60的图案时，需要在第一绝缘层60上进行光刻胶、涂布、显影、干刻、光刻胶剥离来形成第一绝缘层60的图案，图案制作过程中涉及到光刻胶及光刻胶剥离，制作过程复杂。为了解决上述过程，本实施例中除在有机材料61中加入金属氧化物纳米颗粒62以提高第一绝缘层60的介电常数外，还在有机材料61中加入感光材料。与前述步骤中金属氧化物纳米颗粒62分散在有机材料溶液中的步骤相同，有机材料61和感光材料可以通过物理力和化学力来分散。
具体实施时，所述感光材料包括正感光材料和负感光材料，当光照射到感光材料上时，会让正感光材料容易溶于显影剂，而让负感光材料不容易溶于显影剂。在一具体实施例中，所述感光材料为正感光材料如重氮萘醌磺酸酯，将重氮萘醌磺酸酯溶于酚醛树脂溶液后，重氮萘醌磺酸酯与有机材料酚醛树脂能够形成强的相互作用。形成第一绝缘层60后，对第一绝缘层60进行曝光处理，重氮萘醌磺酸酯受到光照后，曝光区的重氮萘醌磺酸酯发生光解，放出氮气形成烯酮，烯酮遇水形成茚酸而易溶于显影剂。曝光后对第一绝缘层60进行显影，第一绝缘层60上曝光位置的感光材料溶于显影剂，而未曝光位置的感光材料不溶于显影剂，从而在第一绝缘层60上直接通过曝光、显影形成图案，而无需经过传统的光刻胶与光刻胶剥离，制备方法简单并且降低制造成本。
在一具体实施方式中，由于金属氧化物半导体层50形成过程中需要经过高温退火，而由有机材料61组成的第一绝缘层60无法承受高温，本实施例中通过先形成金属氧化物半导体层50，再在金属氧化物半导体层50形成第一绝缘层60，然后再在第一绝缘层60上形成栅极70，克服了传统先形成栅极层，在栅极层上形成栅极绝缘层，然后在栅极绝缘层上形成金属氧化物半导体层50时，栅极绝缘层在金属氧化物半导体层50进行退火时容易被高温破会，影响薄膜晶体管质量的问题。所述栅极70包括金属如铜、铝、钨、金、银等，或导电半导体材料如掺杂的多晶硅等。
在一具体实施方式中，第一绝缘层60和栅极70上还设置有第二绝缘层80，所述第二绝缘层80用于作为薄膜晶体管的非导体保护层。所述第二绝缘层80包括绝缘材料如SiO2、Si3N4、HfO2、TiO2、Ta3O3、SnO2等。所述第一绝缘层60、第二绝缘层80上还设置有漏出所述漏极40的漏接触孔，所述第二绝缘层80和漏接触孔上还设置有ITO层90。
此外，本发明还提供一种上述薄膜晶体管的制备方法，如图2所示，其包括以下步骤：
S1、在基底层上形成缓冲层；
S2、在所述缓冲层上形成彼此隔开的源极和漏极；
S3、在所述源极、漏极和所述源极和漏极之间缓冲层上形成金属氧化物半导体层；
S4、在所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上形成第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层由有机材料和分散在所述有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；
S5、在所述第一绝缘层上形成栅极。
在一具体实施方式中，所述薄膜晶体管的制备方法还包括步骤：
S6、在所述栅极和所述第一绝缘层上形成第二绝缘层；
S7、在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层上形成漏接触孔；
S7、在所述第二绝缘层和所述漏接触孔上形成ITO层。
在一具体实施方式中，所述第一绝缘层包括掺杂有金属氧化物纳米颗粒、感光材料的有机聚合物，所述步骤S4具体包括：
S41、将金属氧化物纳米颗粒和感光材料通过物理力或化学力分散在有机材料溶液中，得到掺杂的有机材料溶液；
S42、将所述掺杂的有机材料溶液涂覆到所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上，干燥固化形成第一绝缘层。
在一具体实施方式中，所述步骤S42之后还包括步骤：
S43、对所述第一绝缘层进行曝光、显影，在所述第一绝缘层上形成图案。
此外，本发明还提供一种薄膜晶体管阵列，所述薄膜晶体管阵列可用于液晶显示设备，也可用于其它显示设备，诸如有机电致发光显示设备、电子纸张、以及塑料薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)设备的柔性显示设备。所述薄膜晶体管阵列至少包括上述包括金属氧化物纳米颗粒和感光材料的有机绝缘层的薄膜晶体管。
综上所述，本发明提供了一种薄膜晶体管及其制备方法与薄膜晶体管阵列，包括：基底层；位于基底层上的缓冲层；位于缓冲层上彼此隔开的源极和漏极；位于源极、漏极以及源极与漏极之间缓冲层上的金属氧化物半导体层；位于源极、漏极、金属氧化物半导体层以及缓冲层上的第一绝缘层；其中，第一绝缘层由有机材料和分散在有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；位于第一绝缘层上的栅极。本申请通过以有机材料及分散在有机材料中的金属氧化物纳米颗粒作为第一绝缘层，在提高第一绝缘层介电常数的同时降低薄膜晶体管的制作成本；通过在第一绝缘层中添加感光材料，不需要通过传统的光刻胶与光刻胶剥离制作图案，简化了薄膜晶体管的制作工艺，降低了制作成本。
应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (15)
1.一种薄膜晶体管，其特征在于，包括：
基底层；
位于所述基底层上的缓冲层；
位于所述缓冲层上彼此隔开的源极和漏极；
位于所述源极、漏极以及所述源极与漏极之间缓冲层上的金属氧化物半导体层；
位于所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上的第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层由有机材料和分散在所述有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；
位于所述第一绝缘层上的栅极。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒包括五氧化二钽、二氧化钛、二氧化铪、氧化铝、三氧化二钇中的一种。
3.根据权利要求2所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层的介电常数为7～10。
4.根据权利要求3所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层还包括分散于所述有机材料中的感光材料。
5.根据权利要求4所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述感光材料为重氮萘醌磺酸酯。
6.根据权利要求4所述的薄膜晶体管，其特征在于，所述有机材料为酚醛树脂。
7.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括位于所述第一绝缘层和栅极上的第二绝缘层，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层具有漏出所述漏极的漏接触孔。
8.根据权利要求7所述的薄膜晶体管，其特征在于，还包括位于所述第二绝缘层和所述漏接触孔上的ITO层。
9.一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在基底层上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成彼此隔开的源极和漏极；
在所述源极、漏极和所述源极和漏极之间缓冲层上形成金属氧化物半导体层；
在所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上形成第一绝缘层；其中，所述第一绝缘层由有机材料和分散在所述有机材料中的金属氧化物纳米颗粒组成；
在所述第一绝缘层上形成栅极。
10.根据权利要求9所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘层还包括分散于所述有机材料中的感光材料。
11.根据权利要求10所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述在所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上形成第一绝缘层的步骤具体包括：
将金属氧化物纳米颗粒和感光材料通过物理力或化学力分散在有机材料溶液中，得到掺杂的有机材料溶液；
将所述掺杂的有机材料溶液涂覆到所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上，干燥固化形成第一绝缘层。
12.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述将所述掺杂的有机材料溶液涂覆到所述源极、漏极、金属氧化物半导体层以及所述缓冲层上，干燥固化形成第一绝缘层的步骤之后还包括：
对所述第一绝缘层进行曝光、显影，在所述第一绝缘层上形成图案。
13.根据权利要求9所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述栅极和所述第一绝缘层上形成第二绝缘层。
14.根据权利要求13所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层上形成漏接触孔；
在所述第二绝缘层和所述漏接触孔上形成ITO层。
15.一种薄膜晶体管阵列，其特征在于，至少包括如权利要求1所述的薄膜晶体管。
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