专利名称：一种改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜晶体管领域，特别是涉及一种改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管及其制作方法。
背景技术：
金属氧化物薄膜晶体管主要用于有机发光显示、液晶显示以及电子纸的有源驱动，也可以用于集成电路。近年来，基于金属氧化物的薄膜晶体管因为其迁移率高、透光性好、薄膜结构稳定、制作温度低以及成本低等优点受到越来越多的重视。特别是以In-Ga-Zn-O(IGZO)为代表的氧化物半导体TFT技术，相对于a-Si TFT可以实现更高的分辨率，相对于LTPS TFT·技术则可提高良率、降低成本并实现节能化；总体而言，IGZO TFT技术综合性能优越，已取得很多突破性的进展。目前，IGZO技术的发展虽有很大进展，但仍存在稳定性、均匀性等问题，阻碍其产业化进程。产业界和学术界许多研究组针对IGZO膜层制备技术展开研究，例如Takafumi Aoi 等人(Thin Solid Films, 2010, 518 (11) : 3004-3007)和 Dong Kyu Seo等人(Acta Materialia, 2011，59:6743-6750)报道采用不同的镀膜方式(DC or RF)制备 IZGO 膜；Hai Q. Chiang 等人(Journal of Non-Crystalline Solids, 2008,354:2826-2830)、C. H. Jung 等人(Thin Solid Films 2009, 517 (14) : 4078 - 4081)和C.J. Chiu等人(Vacuum，2011, 86 (3) : 246-249)则分别从溅射气压、氧分压、功率等镀膜参数研究了 IGZO的制备技术；华南理工大学组专门针对底栅结构，提出采用过渡层与半导体层来改善氧化物TFT特性的技术(申请号201010182715. 5)。还有研究组报道了有源层制备后的改善处理技术，例如Seok-Jun Seo 等人(Electrochemical and Solid-StateLetters, 2010, 13(10) :H357-H359)> Soyeon Park 等人(Journal of Nanoscience andNanotechnology, 2011, 11: 6029-6033)和 Chur-Shyang Fuh 等人(Thin Solid Films,2011，520(5) :1489-1494)通过改变温度、气氛、时间等退火条件对IGZO-TFT性能进行优化改善。除此之外，沟道保护层制备及材料的优化也非常关键，Antonis Olziersky等人(Journal of Applied Physics, 2010, 108, 064505)和 Shou-En Liu 等人(IEEEElectron Device Letters, 2011, 32:161-163)通过研究沟道钝化层的制作方式和材料类型。对IGZO氧化物半导体TFT的研究，大部分以底栅结构的器件为主。现也有报道采用顶栅器件可得到更好的TFT特性；但是，在IGZO镀膜以后沉积绝缘层及电极，后续膜层制作工艺需在真空下、或等离子氛围中制作，这会影响IGZO膜层的微观结构，例如晶粒过小或过大，晶体界面之间结晶形态结构不均匀、不合理；甚至产生缺陷，例如离子空位。因此，对于顶栅结构而言，仍存在稳定性、均匀性问题。
发明内容
本发明的目的之一是要解决的技术问题在于针对现有薄膜晶体管器件的均匀性和稳定性不足而提供一种稳定性、均匀性优良的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管。本发明的目的之二是提供上述薄膜晶体管的制作方法。本发明的技术方案如下
一种改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括基板、有源层辅助电极、有源层、绝缘层、栅极、源极和漏极；其中，有源层辅助电极设于基板之上，有源层设于有源层辅助电极之上，源极设于有源层上侧之一端，漏极设于有源层上侧之另一端，绝缘层设于有源层上侧之中部，栅极设于绝缘层之上；有源层辅助电极有两支，均设于 基板与有源层之间并分别与源极和漏极相连接；有源层为复合膜层结构或单层膜层结构，当有源层为复合膜层结构时，从下而上依次为贫氧型金属氧化物膜层、富氧型金属氧化物膜层；当有源层为单层膜层结构时，为金属氧化物膜层。上述基板材料为硅片、玻璃或者陶瓷中的一种。上述有源层辅助电极可用带电极层的玻璃形成，如ITO玻璃，或用溅射法制作的金属电极。上述有源层为IGZO材料，IGZO是由铟、镓、锌和氧4个元素符号的英文首字母组成；所述有源层采用溅射方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3)x(Ga203)y (ZnO)z,其中O ( x、y、z ( I,且x+y+z=l ;在派射过程中选择无氧或低氧气氛得到贫氧型金属氧化物膜层，选择富氧气氛得到富氧型金属氧化物膜层。上述有源层在源极和漏极位置用开孔的形式图形化，使有源层辅助电极与源极和漏极直接相连接。上述绝缘层为绝缘金属氧化物、硅基绝缘材料、高分子材料中的一种。上述硅基绝缘材料为二氧化硅、氮化硅绝缘材料中的一种或两种复合材料。上述顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，包括以下步骤(以ITO基板为例)
a、在含ITO的基板上，采用掩模板图形化ITO电极，形成有源层的辅助电极图案；
b、在形成辅助电极后的基板上，采用溅射法制作有源层，选择无氧或低氧气氛得到贫氧型金属氧化物膜层，选择富氧气氛得到富氧型金属氧化物膜层；有源层制作完并图形化后，高温退火，退火温度150°C 500°C，退火在大气或含氧气氛下进行；
C、在有源层上侧，采用溅射、化学气相沉积、旋涂或印刷的方法制作绝缘层；并采用光刻或掩模方法得到绝缘层形状；绝缘层制作完后，高温退火，退火温度150°C 50(TC，退火在大气或含氧气氛下进行；
d、在绝缘层上通过溅镀或蒸镀方法制作栅极，并采用光刻或掩模方法得到栅极形状；
e、在栅极上侧，采用溅射、化学气相沉积、旋涂或印刷的方法制作钝化层；并采用光刻或掩模方法得到钝化层形状；
f、在钝化层图案形成后，继续采用钝化层的掩模版，图形化有源层与源漏电极接触区的开孔；
g、在钝化层的源极接触区上侧通过溅镀或蒸镀方法制作源极，并采用光刻或掩模方法得到源极形状；在钝化层的漏极接触区上侧通过溅镀或蒸镀方法制作漏极，并采用光刻或掩模方法得到漏极形状。上述有源层制作完后的退火温度为150°C 350°C，所述绝缘层制作完后的退火温度为150°C 350°C。上述源极、漏极和栅极的电极材料均为金属Al、Mo、Cu、Ti或其他低电阻率的金属材料中的一种或多种。本发明的有益效果本发明针对有源层结构，通过增加有源层辅助电极的方法来减少接触电阻；在有源层下方制作辅助电极，可有效提高薄膜晶体管的均匀性；并在适当的工艺中进行退火，从而得到高性能的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管。
图I为本发明金属氧化物薄膜晶体管结构示意图。图2为本发明中实施例I输出特性曲线图。·图3为本发明中实施例I转移特性曲线图。图4为本发明中实施例2输出特性曲线图。图5为本发明中实施例2转移特性曲线图。图6为本发明中实施例3输出特性曲线图。图7为本发明中实施例3转移特性曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对发明改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管及其制作方法作进一步详细描述。如图I所示，一种改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管该薄膜晶体管包括基板I、有源层辅助电极2、有源层3、绝缘层4、栅极5、源极和漏极6 ;其中，有源层辅助电极2设于基板I之上，有源层3设于有源层辅助电极2之上，源极6设于有源层3上侧之一端，漏极6设于有源层3上侧之另一端，绝缘层4设于有源层3上侧之中部，栅极5设于绝缘层4之上；有源层辅助电极2有两支，均设于基板I与有源层3之间并分别与源极和漏极6相连接；有源层3为复合膜层结构或单层膜层结构，当有源层为复合膜层结构时，从下而上依次为贫氧型金属氧化物膜层31、富氧型金属氧化物膜层32，当有源层3为单层膜层结构时，单层膜层3为金属氧化物。所述绝缘层4为绝缘金属氧化物或硅基绝缘材料或者高分子材料。所述有源层3采用溅射方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3)x(Ga203)y (ZnO)z,其中O ( x、y、z ( I,且x+y+z=l ;在派射过程中选择无氧或低氧气氛得到贫氧型金属氧化物膜层31，选择富氧气氛得到富氧型金属氧化物膜层32。所述基板I材料为硅片或者玻璃或者陶瓷；玻璃基板优选为无碱玻璃基板或镀有二氧化硅薄膜的玻璃基板。所述有源层辅助电极2材料为金属Al、Mo、Cu、Ti或其他低电阻率的金属材料中的一种或多种，这里优选ΙΤ0。所述绝缘层4为绝缘金属氧化物或者娃基绝缘材料或者高分子材料；进一步,该硅基绝缘材料为二氧化硅或者氮化硅绝缘材料或者二者复合材料。上述改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管的制作方法包括以下步骤
a、采用含ITO电极的基板I，并采用光刻或掩模方法得到有源层辅助电极2的形状；
b、在有源层辅助电极2上采用溅射法制作有源层3，选择无氧或低氧气氛得到贫氧型金属氧化物膜层31，选择富氧气氛得到富氧型金属氧化物膜层32 ;有源层制作完并图形化后，高温退火，退火温度150°C 500°C，退火在大气或含氧气氛下进行；
C、在有源层3上侧，采用溅射、化学气相沉积、旋涂或印刷的方法制作绝缘层4 ;并采用光刻或掩模方法得到绝缘层4形状；绝缘层4制作完后，高温退火，退火温度150°C 500°C，退火在大气或含氧气氛下进行；
d、在绝缘层4上通过溅镀或蒸镀方法制作栅极5，并采用光刻或掩模方法得到栅极5形状。e、在有源层3上侧之一端，通过溅镀或蒸镀方法制作源极6，并采用光刻或掩模方法得到源极6形状；在有源层3上侧之另一端在通过溅镀或蒸镀方法制作漏极6，并采用光刻或掩模方法得到漏极6形状；
进一步，所述有源层3制作完后的退火温度优选为150°C 350°C，所述绝缘层4制作完后的退火温度优选为150°C 350°C。所述栅极5、源极和漏极6的电极材料均为金属Al、Mo、Cu、Ti或其他低电阻率的金属材料中的一种或多种，这里优选Mo。实施例I
(O在无碱玻璃上，溅镀20nm缺氧型IGZO (单组分Ar气氛制作)，再用相同的靶材溅镀5nm富氧型IGZO (单组分氧气氛制作)；然后湿法刻蚀，图形化IGZO ；
(2)在干氧气氛和350°C温度下退火一小时；
(3)在复合有源层上方溅镀20nm二氧化硅与300nm氮化硅做为绝缘层； (4)在空气和200°C温度下退火一小时；
(5)溅镀IOOnm金属钥做为栅电极；
(6)溅镀IOOnm金属钥做为源/漏电极。另外，在该实施例I中，输出特性曲线图请参考图2，转移特性曲线图请参考图3。实施例2
在此实施中，根据与实施例I的方法和条件类似的方法和条件制作薄膜晶体管。不同之处在于，实施例I中的(2)在干氧气氛和300°C温度下退火一小时。另外，在该实施例2中，输出特性曲线图请参考图4，转移特性曲线图请参考图5。实施例3
在此实施中，根据与实施例I的方法和条件类似的方法和条件制作薄膜晶体管。不同之处在于增加及更改的步骤如下
(1)在无碱ITO玻璃上，湿法刻蚀，图形化ΙΤ0，得到有源层辅助电极；
(2)IGZO图形化后，在干氧气氛和300°C温度下退火一小时；
(3)IGZO图形化过程中，在有有源层辅助电极区，IGZO进行开孔。另外，在该实施例3中，输出特性曲线图请参考图6，转移特性曲线图请参考图7。表I :各实施例的特性对比
权利要求
1.一种改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于该薄膜晶体管包括基板、有源层辅助电极、有源层、绝缘层、栅极、源极和漏极；其中，有源层辅助电极设于基板之上，有源层设于有源层辅助电极之上，源极设于有源层上侧之一端，漏极设于有源层上侧之另一端，绝缘层设于有源层上侧之中部，栅极设于绝缘层之上；有源层辅助电极有两支，均设于基板与有源层之间并分别与源极和漏极相连接；有源层为复合膜层结构或单层膜层结构，当有源层为复合膜层结构时，从下而上依次为贫氧型金属氧化物膜层、富氧型金属氧化物膜层；当有源层为单层膜层结构时，为金属氧化物膜层。
2.根据权利要求I所述的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述基板材料为硅片、玻璃或者陶瓷中的一种。
3.根据权利要求I所述的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述有源层辅助电极可用带电极层的玻璃形成，如ITO玻璃，或用溅射法制作的金属电极。
4.根据权利要求I所述的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述有源层为IGZO材料，IGZO是由铟、镓、锌和氧4个元素符号的英文首字母组成；所述有源层采用溅射方法制备，并且在溅射过程中使用同一个靶材，靶材的材料为(In2O3) x (Ga2O3) y (ZnO) z，其中O < x、y、z < 1，且x+y+z=l ;在溅射过程中选择无氧或低氧气氛得到贫氧型金属氧化物膜层，选择富氧气氛得到富氧型金属氧化物膜层。
5.根据权利要求I所述的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述有源层在源极和漏极位置用开孔的形式图形化，使有源层辅助电极与源极和漏极直接相连接。
6.根据权利要求I所述的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述绝缘层为绝缘金属氧化物、硅基绝缘材料、高分子材料中的一种。
7.根据权利要求6所述的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于所述硅基绝缘材料为二氧化硅、氮化硅绝缘材料中的一种或两种复合材料。
8.—种权利要求I所述顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于包括以下步骤(以ITO基板为例) a、在含ITO的基板上，采用掩模板图形化ITO电极，形成有源层的辅助电极图案； b、在形成辅助电极后的基板上，采用溅射法制作有源层，选择无氧或低氧气氛得到贫氧型金属氧化物膜层，选择富氧气氛得到富氧型金属氧化物膜层；有源层制作完并图形化后，高温退火，退火温度150°C 500°C，退火在大气或含氧气氛下进行； C、在有源层上侧，采用溅射、化学气相沉积、旋涂或印刷的方法制作绝缘层；并采用光刻或掩模方法得到绝缘层形状；绝缘层制作完后，高温退火，退火温度150°C 50(TC，退火在大气或含氧气氛下进行； d、在绝缘层上通过溅镀或蒸镀方法制作栅极，并采用光刻或掩模方法得到栅极形状； e、在栅极上侧，采用溅射、化学气相沉积、旋涂或印刷的方法制作钝化层；并采用光刻或掩模方法得到钝化层形状； f、在钝化层图案形成后，继续采用钝化层的掩模版，图形化有源层与源漏电极接触区的开孔； g、在钝化层的源极接触区上侧通过溅镀或蒸镀方法制作源极，并采用光刻或掩模方法得到源极形状；在钝化层的漏极接触区上侧通过溅镀或蒸镀方法制作漏极，并采用光刻或掩模方法得到漏极形状。
9.根据权利要求8所述顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于所述有源层制作完后的退火温度为150°C 350°C，所述绝缘层制作完后的退火温度为150°C 350°C。
10.根据权利要求8或9所述顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于所述源极、漏极和栅极的电极材料均为金属Al、Mo、Cu、Ti或其他低电阻率的金属材料中的一种或多种。
全文摘要
本发明公开了一种改善器件均匀性的顶栅结构金属氧化物薄膜晶体管及其制作方法，涉及薄膜晶体管领域。该薄膜晶体管包括基板、有源层辅助电极、有源层、绝缘层、栅极、源极和漏极；其中，有源层辅助电极设于基板之上，有源层设于有源层辅助电极之上，源极设于有源层上侧之一端，漏极设于有源层上侧之另一端，绝缘层设于有源层上侧之中部，栅极设于绝缘层之上；有源层为复合膜层结构或单层膜层结构，当有源层为复合膜层结构时，从下而上依次为贫氧型金属氧化物膜层、富氧型金属氧化物膜层；当有源层为单层膜层结构时，为金属氧化物膜层。本发明针对有源层结构，通过增加有源层辅助电极的方法来减少接触电阻；在有源层下方制作辅助电极，可有效提高薄膜晶体管的均匀性。
文档编号H01L21/28GK102969364SQ20121036828
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者向桂华, 王娟, 赵伟明 申请人:东莞有机发光显示产业技术研究院, 东莞彩显有机发光科技有限公司