CN105633170A

CN105633170A - 金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法以及阵列基板和显示装置

Info

Publication number: CN105633170A
Application number: CN201610097577.8A
Authority: CN
Inventors: 徐华; 徐苗; 李民; 李洪濛; 邹建华; 陶洪; 王磊
Original assignee: GUANGZHOU NEW VISION OPTOELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2016-06-01

Abstract

一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法以及阵列基板和显示装置，薄膜晶体管设置有将有源层和源漏电极隔开的有源层保护层，有源层保护层为(MO)x(SnO₂)y薄膜，其中0≤x<1，0.4？≤y≤1，且？x+y=1，M为硅、铝、镓、镁、钙、锶、铋、钽、铪、锆、钪、钇或镧系稀土元素中的一种或两种以上任意元素的组合。本发明实现了通过湿法背沟道刻蚀方式制备金属氧化物薄膜晶体管，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉。具有该金属氧化物薄膜晶体管的阵列基板和显示装置也具有稳定性好，成本低廉的特点。

Description

金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法以及阵列基板和显示装置

技术领域

本发明涉及光电器件技术领域，特别涉及一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法以及具有该金属氧化物薄膜晶体管的阵列基板和显示装置。

背景技术

近年来，新型平板显示(FlatPanelDisplay，FPD)产业发展日新月异，对于大尺寸、高分辨率平板显示的高需求日益提升。作为FPD产业核心技术的薄膜晶体管(ThinFilmTransistor，TFT)背板技术，也在经历着深刻的变革。

金属氧化物(MetalOxide，MO)TFT不仅具有迁移率较高、可以常温制备、可见光透明等特点，而且还具有优异的大面积均匀性，因此氧化物TFT技术自诞生以来便备受业界瞩目。

金属氧化物半导体TFT技术因兼具多晶硅TFT和非晶硅TFT的优点，被认为是下一代显示技术中最具潜力的器件。尤其在TFT面板的制备方面，金属氧化物TFT的制备工艺与现有的非晶硅TFT生产工艺因为类似的器件结构并可以低温制备而相互兼容，即可以采用工艺过程简单、成本低的背沟道刻蚀(BackChannelEtch,BCE)工艺。但由于金属氧化物薄膜化学稳定性较差，其作为有源层材料时，易被刻蚀液损伤，从而使现有技术中金属氧化物薄膜晶体管的背沟道刻蚀制造工艺难以实现。

因此，针对现有技术不足，提供一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备工艺以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法，金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法解决了现有技术中金属氧化物薄膜晶体管无法通过湿法背沟道刻蚀方式制备的问题，本发明的金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法可以通过湿法背沟道刻蚀方式制备，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉的特点。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种金属氧化物薄膜晶体管，设置有将有源层和源漏电极隔开的有源层保护层，所述有源层保护层为(MO)x(SnO₂)y薄膜，其中0≤x<1，0.4≤y≤1，且x+y=1，M为硅、铝、镓、镁、钙、锶、铋、钽、铪、锆、钪、钇或镧系稀土元素中的一种或两种以上任意元素的组合。

上述有源层保护层的厚度为1~30nm。

优选的，上述有源层保护层的厚度为2~10nm。

上述有源层为金属氧化物半导体材料，所述有源层由单层薄膜构成或者由多层薄膜叠设构成。

上述金属氧化物薄膜晶体管，有源层和有源层保护层通过一次构图工艺进行图案化得到图案化的图层。

上述金属氧化物薄膜晶体管，有源层保护层的刻蚀液为氢氟酸、甲酸、乙酸、冰醋酸或草酸中的任意一种。

上述金属氧化物薄膜晶体管，源漏电极采用湿法背沟道刻蚀方式图案化。

本发明提供一种上述金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，在有源层上以物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、溶液法或者热蒸发法中的任意一种方式沉积有源层保护层，将有源层保护层和有源层整体通过一次构图工艺进行图案化得到图案化的图层；有源层保护层的刻蚀液为氢氟酸、甲酸、乙酸、冰醋酸或草酸中的任意一种；

金属氧化物薄膜晶体管的源漏电极采用湿法背沟道刻蚀方式图案化。

本发明还提供一种阵列基板，具有上述金属氧化物薄膜晶体管。

本发明还提供一种显示装置，具有上述的阵列基板。

本发明的金属氧化物薄膜晶体管，设置有将有源层和源漏电极隔开的有源层保护层，所述有源层保护层为(MO)x(SnO₂)y薄膜，其中0≤x<1，0.4≤y≤1，且x+y=1，M为硅、铝、镓、镁、钙、锶、铋、钽、铪、锆、钪、钇或镧系稀土元素中的一种或两种以上任意元素的组合。本发明通过设置(MO)x(SnO₂)y薄膜作为有源层保护层，实现了通过湿法背沟道刻蚀方式制备金属氧化物薄膜晶体管，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉。具有该金属氧化物薄膜晶体管的阵列基板和显示装置也具有稳定性好，成本低廉的特点。

本发明的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，在有源层上沉积有源层保护层，将有源层保护层和有源层整体通过一次构图工艺进行图案化得到图案化的图层。实现了通过湿法背沟道刻蚀方式制备金属氧化物薄膜晶体管，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种金属氧化物薄膜晶体管的结构示意图。

图2为本发明实施例2的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法的步骤a)的示意图；

图3为本发明的实施例2的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法的步骤b)的示意图；

图4为本发明的实施例2的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法的步骤c)的示意图；

图5为本发明的实施例2的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法的步骤d)的示意图；

图6为本发明的实施例3的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图；

图7为本发明的实施例4的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图。

在图1中，包括：

基底01、栅极02、栅极绝缘层03、有源层04、

有源层保护层05、源极06-1、漏极06-2、钝化层07。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种金属氧化物薄膜晶体管，如图1所示，包括设于基底01上的栅极02，覆盖栅极02的栅极绝缘层03，设于栅极绝缘层03上方的半导体有源层04、有源层保护层05、有源层保护层之上的源漏电极（源极以06-1标示、漏极以06-2标示）和钝化层07。

其中，有源层保护层为(MO)x(SnO₂)y薄膜，其中0≤x<1，0.4≤y≤1，且x+y=1，M为硅、铝、镓、镁、钙、锶、铋、钽、铪、锆、钪、钇或镧系稀土元素中的一种或两种以上任意元素的组合。

有源层保护层的厚度为1~30nm，优选为2~10nm。

有源层为金属氧化物半导体材料，有源层可由单层薄膜构成或者由多层薄膜叠设构成。有源层04的材料可以为：氧化铟（InO）、氧化锌（ZnO）、氧化铟锌（IZO）、氧化铟镓（Ga-IZO）、氧化铟锡（Sn-IZO）、氧化铟铪（Hf-IZO）、氧化铟铝（Al-IZO）、氧化铟钽（Ta-IZO）、氧化铟镁（Mg-IZO）中的任意一种或其叠层的组合，当然也可以为其他半导体材料，根据具体情况设定。

源电极06-1和漏电极06-2的材料为金属、合金、氧化物透明导电薄膜、石墨烯、碳纳米管、有机导电层中的一种或其叠层的组合，当然也可以为其他导电材料，根据具体情况设定。

该金属氧化物薄膜晶体管，有源层保护层可以采用磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子力沉积或溶液法中的制备方法制备而成。有源层和有源层保护层通过一次构图工艺进行图案化得到图案化的图层。有源层保护层的刻蚀液为氢氟酸、甲酸、乙酸、冰醋酸或草酸中的任意一种。

该金属氧化物薄膜晶体管，源漏电极采用湿法背沟道刻蚀方式图案化。

本实施例中金属氧化物薄膜晶体管，设置有源层保护层对有源层进行保护，有源层保护层为氧化锡及其掺杂的金属氧化物，其和有源层可以整体采用一道光刻构图进行图案化；而且，保护层本身即是半导体材料，无需额外增加去除保护层的工艺，不仅能更好地实现对有源层的保护，而且具有制备工艺简单的特点。另外，保护层对各种强酸和强碱等刻蚀液具有很强的抗蚀性，故在采用湿法图形化薄膜晶体管的源漏电极时，有源层保护层可以有效地保护有源层不受刻蚀液的影响，从而实现低成本的湿法背沟道方式制备薄膜晶体管。

综上所述，本实施例的金属氧化物薄膜晶体管通过设置(MO)x(SnO₂)y薄膜作为有源层保护层，实现了通过湿法背沟道刻蚀方式制备金属氧化物薄膜晶体管，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉。

实施例2。

一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，用于制备实施例1的金属氧化物薄膜晶体管。如图2至图5所示，包括如下步骤。

a）在基底01上采用磁控溅射的方式沉积栅极金属层薄膜，通过光刻工艺形成包括薄膜晶体管栅极02以及栅极线的图案，如图2所示。

需要说明的是，基底01的材质可以是硬质玻璃基板，也可以是柔性基底，如：聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰亚胺（PI）或者金属箔柔性衬底。

需要说明的是，基底01可以是没有形成任何膜层的衬底，如白玻璃，也可以是形成有其它膜层或者图案的衬底，例如形成有缓冲层的衬底。光刻工艺通常包括光刻胶涂敷、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀、光刻胶剥离等工艺。上述步骤具体为先形成栅极金属层薄膜，涂覆光刻胶覆盖栅极金属层薄膜；经前烘后，利用掩模板曝光，形成曝光区和非曝光区；进行显影去除曝光区的光刻胶（以正性光刻胶为例），非曝光区光刻胶保留；经后烘工序后，刻蚀栅极金属层薄膜，非曝光区的栅极金属层薄膜由于光刻胶的保护而未被刻蚀；最后，剥离光刻胶，形成包括薄膜晶体管栅极02以及其它金属线的图形。

其中，栅极金属层薄膜的材料可以为铝、铜、钼、钛、银、金、钽、钨、铬金属单质或其合金、或由其所构成的叠层结构。优选为铜、钼、铝或它们的合金组成的单层或多层复合膜。

b）在完成上述步骤的基底01上，采用化学气相沉积、物理气相沉积、原子力沉积或溶液法等制备方法，形成栅极绝缘层03，如图3所示。

其中，栅极绝缘层03的材料可以为硅的氧化物、硅的氮化物、铪的氧化物、硅的氮氧化物、铝的氧化物或有机绝缘材料等中的一种或它们中多种材料组成的多层复合膜。

c）在完成上述步骤后，再采用磁控溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子力沉积或溶液法中的制备方法，依次形成有源层04和有源层保护层05；然后将有源层保护层和有源层整体采用一道光刻构图进行图案化，如图4所示。

其中，金属氧化物半导体有源层04的材料优选为：氧化铟（InO）、氧化锌（ZnO）、氧化铟锌（IZO）、氧化铟镓（Ga-IZO）、氧化铟锡（Sn-IZO）、氧化铟铪（Hf-IZO）、氧化铟铝（Al-IZO）、氧化铟钽（Ta-IZO）、氧化铟镁（Mg-IZO）中的一种或其叠层组合。

有源层保护层的材料为(MO)x(SnO₂)y薄膜，其中0≤x<1，0.4≤y≤1，且x+y=1，M为硅、铝、镓、镁、钙、锶、铋、钽、铪、锆、钪、钇或镧系稀土元素中的一种或两种以上任意元素的组合。优选为，硅锡氧、铝锡氧、镓锡氧化合物。

d）在完成上述步骤后，在制备形成源漏电极层薄膜，并通过光刻工艺形成包括薄膜晶体管的源极06-1、漏极06-2的图形，且源漏电极附于有源层保护层之上，如图5所示。

其中，源漏电极材料为金属、合金、氧化物透明导电薄膜、石墨烯、碳纳米管、有机导电层中的一种或其叠层的组合。优选为：钼、铝、铜及其合金或其叠层的组合。

其中，源漏电极的制备工艺包括：首先在包含有有源层保护层的基底01上采用磁控溅射工艺沉积金属薄膜作为源漏电极薄膜，采用步骤a）中所述的光刻工艺形成包括薄膜晶体管源漏电极和其它走线的图层图案；采用湿法背沟道刻蚀方案刻蚀形成所需的图层。这里需要说明的是，因为该金属氧化物薄膜晶体管含有有源层保护层，其对刻蚀液具有很强的抗刻蚀性能；因此，在其之下的有源层能有效地避免被刻蚀液损伤。最后，去除光刻胶保护层，完成源漏电极的制备。

e）在完成上述步骤的基底01上，形成钝化层薄膜07，并通过光刻工艺形成所需的图案，如图1所示。

其中，钝化层材料优选为：氧化硅，氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或其叠层的组合。

本实施例的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，可以有效地的保护有源层在湿法刻蚀源漏电极时不受刻蚀液的影响，无需额外工艺对有源层保护层做进一步处理，进而实现对有源层的更好保护，所以本发明的制备方法形成的薄膜晶体管的性能更优越。本实施例实现了通过湿法背沟道刻蚀方式制备金属氧化物薄膜晶体管，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉。

实施例3。

本实施例提供一种薄膜晶体管的制备方法，具体包括以下步骤：

a)在基底上采用磁控溅射方式沉积200nm的金属钼薄膜，通过光刻工艺形成栅极金属层。

b)采用化学气相沉积方式沉积叠层的栅绝缘层薄膜，栅极绝缘层薄膜为250nm厚的氮化硅和50nm厚的氧化硅，并通过光刻工艺形成栅绝缘层。

c)在完成栅绝缘层后，再采用磁控溅射沉积方式依次沉积有源层以及有源层保护层，其中有源层为50nm厚的氧化铟镓锌（IGZO）薄膜，有源层保护层为5nm厚的镓锡氧（GaSnO）薄膜。最后通过一次光刻工艺形成有源层及有源层保护层的图层。这里，有源层保护层和有源层的刻蚀液为草酸基刻蚀液。

d)采用磁控溅射方式沉积200nm的钼层作为源漏电极层，并通过光刻工艺形成源漏电极图层。这里，钼的刻蚀液为商用的强酸刻蚀液。

e)最后采用化学气相沉积的方式沉积300nm的SiOx薄膜作为钝化层，再通过光刻工艺形成钝化层所需图案。

本实施例制得的金属氧化物薄膜晶体管的转移曲线性能如图6所示。器件阈值电压为3.8V，饱和迁移率为9.6cm²/Vs，亚阈值摆幅为0.24V/decade，电流开关比为10⁸，从图中可以看出，本实施例的金属氧化物薄膜晶体管性能优良。

本实施例的薄膜晶体管的制备方法，可以有效保护有源层在湿法刻蚀源漏电极时不受刻蚀液的影响，无需额外工艺对保护层做进一步处理，进而实现对有源层的更好保护，所以本发明的制备方法形成的薄膜晶体管的性能更优越。本实施例实现了通过湿法背沟道刻蚀方式制备金属氧化物薄膜晶体管，具有制备工艺简单，所制备的金属氧化物薄膜晶体管稳定性好，成本低廉。

实施例4。

c)在完成栅绝缘层后，再采用磁控溅射沉积方式依次沉积有源层以及有源层保护层，其中有源层为10nm厚的氧化铟锌（IZO）薄膜，有源层保护层为10nm厚的硅锡氧（SiSnO）薄膜，通过一次光刻工艺形成有源层及有源层保护层的图层。这里，有源层保护层和有源层的刻蚀液为乙酸刻蚀液。

d)采用磁控溅射方式沉积250nm的钼层作为源漏电极层，并通过光刻工艺形成源漏电极图层。这里，钼的刻蚀液为商用的强酸刻蚀液。

本实施例制得的金属氧化物薄膜晶体管的转移曲线性能如图7所示。器件阈值电压为-1.2V，饱和迁移率为40.5cm²/Vs，亚阈值摆幅为0.10V/decade，电流开关比为10⁹，从图中可以看出，本实施例的金属氧化物薄膜晶体管性能优良。

实施例5。

一种阵列基板，包括如上述实施例1至4中任意一种金属氧化物薄膜晶体管，当然还包括像素电极、公共电极、隔离层等其他图层和结构。由于本实施例的阵列基板包括上述薄膜晶体管，故其性能更稳定。

实施例6。

一种显示装置，其包括实施例5的阵列基板，该显示装置可用于手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。本实施例的显示装置中具有实施例5中的阵列基板，故其性能更好，显示效果良好。

当然，本实施例的显示装置中还可以包括其他常规结构，如电源单元、显示驱动单元等，在此不再一一赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：设置有将有源层和源漏电极隔开的有源层保护层，所述有源层保护层为(MO)x(SnO₂)y薄膜，其中0≤x<1，0.4≤y≤1，且x+y=1，M为硅、铝、镓、镁、钙、锶、铋、钽、铪、锆、钪、钇或镧系稀土元素中的一种或两种以上任意元素的组合。

2.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述有源层保护层的厚度为1~30nm。

3.根据权利要求2所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述有源层保护层的厚度为2~10nm。

4.根据权利要求3所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：所述有源层为金属氧化物半导体材料，所述有源层由单层薄膜构成或者由多层薄膜叠设构成。

5.根据权利要求4所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：有源层和有源层保护层通过一次构图工艺进行图案化得到图案化的图层。

6.根据权利要求5所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：有源层保护层的刻蚀液为氢氟酸、甲酸、乙酸、冰醋酸或草酸中的任意一种。

7.根据权利要求6所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于：源漏电极采用湿法背沟道刻蚀方式图案化。

8.一种如权利要求1至7任意一项所述的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：在有源层上以物理气相沉积法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法、溶液法或者热蒸发法中的任意一种方式沉积有源层保护层，将有源层保护层和有源层整体通过一次构图工艺进行图案化得到图案化的图层；有源层保护层的刻蚀液为氢氟酸、甲酸、乙酸、冰醋酸或草酸中的任意一种；金属氧化物薄膜晶体管的源漏电极采用湿法背沟道刻蚀方式图案化。

9.一种阵列基板，其特征在于：具有如权利要求1至7任意一项的金属氧化物薄膜晶体管。

10.一种显示装置，其特征在于：具有如权利要求9所述的阵列基板。