氧化物薄膜及制备方法、晶体管及制备方法、显示背板与流程

本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种氧化物薄膜及制备方法、晶体管及制备方法、显示背板。

背景技术：

薄膜晶体管，作为像素开关元件被广泛应用于液晶显示装置。其中，薄膜晶体管内沟道层的载流子迁移率是决定液晶显示装置性能的关键；薄膜晶体管的载流子迁移率越高，薄膜晶体管的驱动能力和开关速度越高，从而能够支持液晶显示装置高分辨率、高帧率等技术需求。

为了满足液晶显示装置对薄膜晶体管的高载流子迁移率的要求，通常使用非晶硅、多晶硅、或者氧化物半导体材料等作为薄膜晶体管的沟道层。具体地，目前通常利用磁控溅射的方法在基板上形成非晶铟镓锌氧薄膜，并将非晶铟镓锌氧薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，该薄膜晶体管的迁移率能够达到在10-15cm²/Vs。

然而，发明人通过研究发现，由于液晶显示装置正朝向高分辨率、高帧率和大尺寸方向发展，例如在65寸、240Hz的8K液晶显示器中，显示背板中的薄膜晶体管的载流子迁移率需要达到30cm²/Vs甚至更高，上述薄膜晶体管难以满足新型液晶显示装置的需求。因此，如何获得迁移率更高的氧化物半导体材料以及相应的薄膜晶体管是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请提供一种氧化物薄膜及制备方法、晶体管及制备方法、显示背板，以解决现有技术中薄膜晶体管的迁移率低的问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种氧化物薄膜，所述氧化物薄膜的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种，以及H的氧化物。

可选地，所述氧化物薄膜的电子载流子场效应迁移率大于或等于100cm²/Vs。

可选地，所述氧化物为镓铟锌氧化物。

根据第二方面，一种实施例中提供一种上述氧化物薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

在衬底基板上形成沟道层，其中所述沟道层的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种的氧化物；

氢化所述沟道层，形成氢化非晶氧化物薄膜，其中，所述氢化非晶氧化物薄膜的电子载流子场效应迁移率大于或等于100cm²/Vs。

可选地，所述在衬底基板上形成沟道层，包括以下步骤：在包含氧气和氩气的气体氛围中，将镓铟锌氧、氧化锌、氧化铟和氧化铟锡中的一种作为靶材，以射频磁控溅射方式形成所述沟道层，其中，所述氧气的分压介于0％到90％之间。

可选地，所述射频磁控溅射方式形成所述沟道层的工艺中，所述氧气的分压为25％。

可选地，氢化所述沟道层，形成氢化物非晶氧化物薄膜，包括以下步骤：

使用硅烷和氨气作为工艺气体，采用等离子增强化学气相沉积方式，在所述沟道层上形成钝化层；其中，所述钝化层包括氮化硅层和/或氧化硅层；

在氮气氛围中，进行热退火。

可选地，在所述沟道层上形成钝化层的工艺中，所述硅烷的分压在0.5％-10％之间，所述氨气的分压在0.5％-20％之间，沉积温度大于或等于100℃。

可选地，在热退火工艺中，退火温度为350℃，退火时间为1小时。

可选地，在衬底基板上形成沟道层的工艺中，所述衬底基板包括玻璃基板、金属基板、塑料基板和有机薄膜基板中的一种或多种。

根据第三方面，一种实施例中提供一种晶体管，所述晶体管包括氧化物薄膜沟道层；所述氧化物薄膜沟道层所采用氧化物薄膜的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种，以及H的氧化物。

可选地，所述晶体管还包括：衬底、栅电极、栅绝缘层、源电极、漏电极和钝化层，其中：

所述栅电极设置在衬底上；

所述栅绝缘层覆盖于所述栅电极上，以及衬底的未被栅电极覆盖的部分上；

所述氧化物薄膜沟道层设置在所述栅绝缘层上、且与栅电极相对应的位置上；

所述源电极设置在所述氧化物薄膜沟道层的一侧；

所述漏电极设置在所述氧化物薄膜沟道层的另一侧；

所述钝化层设置在漏电极、源电极以及氧化物薄膜沟道层上未被所述漏电极和源电极覆盖的部分上，且漏电极和氧化物薄膜沟道层上的钝化层之间以及源电极和氧化物薄膜沟道层上的钝化层之间均存在导电孔。

可选地，所述钝化层包括二氧化硅层和/或氮化硅层。

根据第四方面，一种实施例提供一种上述晶体管的制备方法，该方法包括以下步骤：

在衬底上沉积栅电极；

在栅电极上方沉积覆盖所述栅电极和衬底的栅绝缘层；

在栅绝缘层上沉积氧化物薄膜沟道层，所述氧化物薄膜沟道层所采用氧化物薄膜的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种，以及H的氧化物；

在所述氧化物薄膜沟道层的两端分别沉积源电极和漏电极；

在所述源电极、漏电极以及氧化物薄膜沟道层上沉积富氢钝化层；

进行热退火。

根据第五方面，一种实施例提供一种显示背板，该装置包括上述晶体管。

依据上述实施例的氧化物薄膜及制备方法、晶体管及制备方法、显示背板，所述氧化物薄膜的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种，以及H的氧化物，通过对氧化物薄膜进行氢化，能够有效提高氧化物薄膜的载流子迁移率，将所述氧化物薄膜作为晶体管的沟道层，从而进一步提高晶体管的载流子迁移率，有效满足显示技术对高迁移率的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种氧化物薄膜的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的沟道层沉积后的薄膜结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种固态扩散工艺流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种沉积钝化层后的薄膜结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种晶体管的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种晶体管制备方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的沉积栅电极后的晶体管结构示意图；

图8为本发明实施例提供的沉积栅绝缘层后的晶体管结构示意图；

图9为本发明实施例提供的沉积氧化物薄膜沟道层后的晶体管结构示意图；

图10为本发明实施例提供的沉积源电极和漏电极后的晶体管结构示意图；

图11为本发明实施例提供的沉积富氢钝化层后的晶体管结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种晶体管的输出特性曲线；

图13为本发明实施例提供的一种晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供的氧化物薄膜，所述氧化物薄膜的成分包括Zn、In和Sn元素中的一种或多种，以及H的氧化物。在具体实施时，所述氧化物薄膜可以为氢化非晶氧化物薄膜；更为具体地，所述氧化物薄膜可以为镓铟锌氧化物(英文：indium gallium zinc oxide，简称：IGZO)、氧化锌(化学式为ZnO)、氧化铟(化学式为In2O3)和氧化铟锡(英文：Indium tin oxide，简称：ITO)中的一种或多种的混合物，经过氢化后的得到的非晶氧化物薄膜。而且，在本发明实施例中，其电子载流子场效应迁移率可以达到100cm²/Vs以上。

参见图1，为本发明实施例提供的一种氧化物薄膜的制备方法的流程示意图，该氧化物薄膜的制备方法包括以下步骤：

步骤S101：在衬底基板上形成沟道层，其中所述沟道层的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种的氧化物。

同样参见图2，为本发明实施例提供的沟道层沉积后的薄膜结构示意图，在本发明实施例中，采用室温环境下射频磁控溅射的方法在衬底基板1上沉积沟道层2。

其中，衬底基板1采用的是玻璃基板。当然，在具体实施时，所述衬底基板1可以使用玻璃基板、金属基板、塑料基板和有机薄膜基板中的一种或多种。

在射频磁控溅射工艺过程中，靶材可以选择使用IGZO、氧化锌、氧化铟以及ITO中的一种或多种。优选地，在本发明实施例中选择使用IGZO，以形成由IGZO构成的沟道层2。射频磁控溅射的工艺气体包括氧气和氩气，其中氧气的分压范围介于0％到90％之间，优选地，所述氧气的分压为25％。

另外，需要说明的是，在衬底基板1上沉积沟道层2的工艺不限于射频磁控溅射方法，还可以使用溶胶凝胶法、直流或反应磁控溅射法等方法。

步骤S102：氢化所述沟道层，形成氢化非晶氧化物薄膜。

为了得到氢化非晶氧化物薄膜，在具体实施时，可以使用固态扩散法、氢等离子体处理法、氢离子注入法或氢气环境退火法等方法，实现对沟道层2的氢化处理。

在本发明实施例中，将以固态扩散法为例，详细描述沟道层的氢化工艺。

参见图3，为本发明实施例提供的一种固态扩散工艺流程示意图，该工艺包括以下步骤：

步骤S1021：在所述沟道层上形成钝化层。

参见图4，为本发明实施例提供的一种沉积钝化层后的薄膜结构示意图，如图4所示，本发明实施例采用等离子增强化学气相沉积(英文：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，简称：PECVD)的方法在沟道层2的上方生长钝化层3，所述钝化层3的材料是氮化硅(化学式为SiNx)材料，化学气相沉积的工艺气体包括硅烷(化学式为SiH4)，以及氨气(化学式为NH3)；其中，所述硅烷的分压在0.5％-10％之间，优选地，大于或等于1％；所述氨气的分压在0.5％-20％之间，优选地，大于或等于1％；沉积温度大于或等于100℃。

上述过程仅是本发明实施例提供的一种形成钝化层的示例性实施例，在具体实施时，所述钝化层3还可以是氧化硅和氮化硅的双层结构；而且，生成钝化层3的方法也不限于PECVD方法，还可以使用原子层沉积等方法。

步骤S1022：进行热退火。

在得到如图4所示的薄膜结构之后，还需要对上述结构进行退火，以使氢元素从钝化层3中扩散至沟道层2，形成氢化非晶氧化物薄膜。

具体地，在氮气范围中，对图4所示的结构进行热退火，退火温度为350℃，退火时间为1小时。当然，在具体实施时，上述退火时间和退火温度仅是一优选参数值，所述退火温度和退火时间可以设置为任意其他数值，在本发明实施例中不做限定。

本发明实施例制备的氧化物薄膜，其载流子场效应迁移率大于100cm²/Vs，有效提高了迁移率，从而能够满足显示器对高迁移率氧化物薄膜材料的需求。

基于上述实施例的氧化物薄膜，本发明实施例还提供了一种晶体管，所述晶体管以上述氧化物薄膜作为沟道层，从而进一步提高了晶体管的载流子迁移率。其中，所述晶体管可以理解为场效应晶体管或薄膜晶体管。

参见图5，为本发明实施例提供的一种晶体管的结构示意图，该晶体管为底栅顶接触结构的晶体管，包括衬底11、栅电极12、栅绝缘层13、氧化物薄膜沟道层14、源电极15、漏电极16和钝化层17。

其中，所述栅电极12设置在衬底11上。在具体实施时，所述衬底11可以选用玻璃基板、金属基板、塑料基板和有机薄膜基板中的一种或多种的组合。所述栅电极12的材料包括但不限于钼、钛和铝中的一种或多种，以及其他合金材料。

所述栅绝缘层13覆盖于所述栅电极12上，以及衬底11的未被栅电极12覆盖的部分上。所述栅绝缘层13包括氮化硅单层、氧化硅单层或者氧化硅和氮化硅双层。

所述氧化物薄膜沟道层14设置在所述栅绝缘层13上、且与栅电极12相对应的位置上。所述氧化物薄膜沟道层14所采用氧化物薄膜的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种，以及H的氧化物；更为具体地，所述氧化物薄膜沟道层14的材料包括但不限于氢化后的IGZO、氧化锌、氧化铟和ITO中的一种或多种。

所述源电极15设置在所述氧化物薄膜沟道层14的一侧，所述漏电极16设置在所述氧化物薄膜沟道层14的另一侧。在本发明实施例中，所述源电极15和漏电极16所使用的材料包括但不限于钼、钛和铝中的一种或多种，以及其他合金材料。

所述钝化层17设置在源电极15、漏电极16以及氧化物薄膜沟道层14上未被所述源电极15和漏电极16覆盖的部分上，且源电极15和氧化物薄膜沟道层14上的钝化层17之间以及漏电极16和氧化物薄膜沟道层14上的钝化层17之间均存在导电孔，所述导电孔用于源电极15和漏电极15的连出。

另外，需要说明的是，本发明实施例提供的晶体管仅是一示例性实施例，所述晶体管还可以为其他结构的晶体管，例如顶栅顶接触、顶栅底接触或底栅底接触等，但是凡是使用上述实施例的氧化物薄膜材料作为沟道层的晶体管，均应落入本发明的保护范围。

为了制备图5所示的晶体管，本发明实施例还提供一种晶体管制备方法。

参见图6，为本发明实施例提供的一种晶体管制备方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S201：在衬底上沉积栅电极。

参见图7，为本发明实施例提供的沉积栅电极后的晶体管结构示意图，在本发明实施例中，采用室温下直流磁控溅射的方法在衬底11上沉积栅电极12，并采用光刻工艺图形化。其中，衬底11的材料是玻璃基板，栅电极12的材料是钼。直流磁控溅射的功率是500W，工艺气体是氩气。

当然，需要说明的是，栅电极的生长方法包括但不限于直流磁控溅射法，还可以使用例如热蒸发等方法。

步骤S202：在栅电极上方沉积覆盖所述栅电极和衬底的栅绝缘层。

参见图8，为本发明实施例提供的沉积栅绝缘层后的晶体管结构示意图，在本发明实施例中，采用PECVD的方法在栅电极12的上方沉积栅绝缘层13。栅绝缘层13的材料是氧化硅(化学式为SiOx)材料，化学气相沉积的工艺气体包括硅烷(化学式为SiH₄)，以及一氧化二氮(化学式为N₂O)；其中，硅烷的分压为5％，一氧化二氮的分压是80％，沉积温度是300℃。在具体实施时，栅绝缘层的生长方法不限于上述PECVD方法，还可以使用例如原子层沉积的方式沉积栅绝缘层。

步骤S203：在栅绝缘层上沉积氧化物薄膜沟道层，所述氧化物薄膜沟道层所采用氧化物薄膜的成分为包括Zn、In和Sn中的一种或多种，以及H的氧化物。

参见图9，为本发明实施例提供的沉积氧化物薄膜沟道层后的晶体管结构示意图，在本发明实施例中，采用室温环境下射频磁控溅射的方法在栅绝缘层13上沉积氧化物薄膜沟道层14，并采用光刻工艺图形化。其中，磁控溅射的沟道层材料采用IGZO。溅射的工艺气体包括氧气和氩气，其中氧气的分压范围介于0％到90％之间，优选地，氧气的分压以25％。具体地，氧化物薄膜的生长方式可以参见上述氧化物薄膜制备工艺实施例的描述，在此不再赘述。

步骤S204：在所述氧化物薄膜沟道层的两端分别沉积源电极和漏电极。

参见图10，为本发明实施例提供的沉积源电极和漏电极后的晶体管结构示意图，在本发明实施例中，采用室温下直流磁控溅射的方法沉积源电极15和漏电极16，并采用光刻工艺图形化。其中，源电极15和漏电极16的材料是钼。直流磁控溅射的功率是500W，工艺气体是氩气。而且，在具体实施时，栅电极的生长方法包括但不限于直流磁控溅射法，还可以使用例如热蒸发等方法。

步骤S205：在所述栅电极、漏电极以及氧化物薄膜沟道层上沉积富氢钝化层。

参见图11，为本发明实施例提供的沉积富氢钝化层后的晶体管结构示意图，在本发明实施例中，采用PECVD的方法在所述源电极15、漏电极16以及氧化物薄膜沟道层14的上方生长富氢钝化层17，并采用光刻工艺图形化。富氢钝化层的材料是氮化硅(化学式为SiNx)材料，化学气相沉积的工艺气体包括硅烷，以及氨气；其中，硅烷的分压在0.5％-10％之间之间，优选地，大于或等于1％；所述氨气的分压在0.5％-20％之间，优选地，大于或等于1％；所述沉积温度大于或等于100℃。具体地，富氢钝化层的生长方式可以参见上述氧化物薄膜制备工艺实施例的描述，在此不再赘述。

步骤S206：进行热退火。

在本发明实施例中，采用固态扩散的方法使富氢钝化层17中的氢在热退火时扩散至氧化物薄膜沟道层14内，形成氢化非晶氧化物薄膜，热退火的温度是350℃，退火时长是1小时，气体氛围是N₂。具体地，热退火工艺也可参见上述氧化物薄膜制备工艺实施例的描述，在此不再赘述。

参见图12，为本发明实施例提供的一种晶体管的输出特性曲线，测试并绘制该本实施例制备的一个薄膜晶体管在室温25℃时的输出特性曲线。在栅极电压V_GS＝15V时，源漏电压V_DS设定为0V的漏极电流I_DS＝7.17×10^-8A，源漏电压V_DS设定为20V的漏极电流I_DS＝2.91×10^-3A。

参见图13，为本发明实施例提供的一种晶体管的转移特性曲线，测试并绘制本实施例制备的一个薄膜晶体管在室温25℃时的转移特性曲线。在漏极电压V_DS＝0.1V时，栅极电压V_GS设定为-5.5V的漏极电流I_DS＝1.04×10^-10A，栅极电压V_GS设定为20V的漏极电流I_DS＝2.56×10^-5A，并提取得到该薄膜晶体管的场效应迁移率是352cm²V¹s^-1。由此可见，本发明实施例制备的晶体管，有效提高了晶体管的迁移率，从而能够满足显示装置对晶体管高迁移率的要求。

本发明实施例还提供了一种显示背板，所述显示背板装配有上述实施例中的晶体管，由于所述晶体管具有很高的迁移率，从而有效保证所述显示背板对新显示技术的支持。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。