一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置与流程

本发明涉及显示技术领域，尤指一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置。

背景技术：

薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)是液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)和有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等显示装置有源驱动的关键部件，其中阈值电压(V_t)为TFT器件中非常重要的一个特性参数，阈值电压为使沟道区源端强反型时的栅源之间的电压，当栅源之间的电压大于阈值电压时，就会形成导电沟道，从而使源漏之间导通。

然而，栅极绝缘层的材质一般为氧化物，例如SiOx，栅极氧化物中的如果存在过剩的正电荷，会使阈值电压负偏，原因为：一般向栅电极施加负电压以形成导电沟道，过多的正电荷会阻碍导电沟道的形成，从而需要施加更大的负电压，导致阈值电压负偏。

现有技术中，一般通过调节栅极绝缘层制作过程中的材料比例来减少阈值电压的漂移，例如对于采用二氧化硅制作的栅极绝缘层，可以调节SiOx沉积的N₂O/SiH₄比率，然而这种补偿方式效果并不理想，在SiOx/Si界面附近仍可能存在大量的硅悬挂键无法得到补偿，大量的硅悬挂键的存在会导致阈值电压严重负偏，使功耗更高，甚至现有的电压下无法驱动像素电路。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置，用以解决现有技术中存在的薄膜晶体管的阈值电压负偏的问题。

本发明实施例提供了一种薄膜晶体管的制作方法，包括：

在衬底基板上形成栅极绝缘层；

采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子，所述负离子能够与所述栅极绝缘层中的正离子结合。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述栅极绝缘层仅包括第一栅极绝缘层；

所述采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子，包括：

采用离子注入的方式向所述第一栅极绝缘层中注入深度小于所述第一栅极绝缘层厚度一半的负离子。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述栅极绝缘层包括：第一栅极绝缘层，以及位于所述第一栅极绝缘层远离所述衬底基板一侧的第二栅极绝缘层；

所述采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子，包括：

在形成所述第二栅极绝缘层之后，采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子；

向所述栅极绝缘层中注入负离子的深度小于所述第一栅极绝缘层和所述第二栅极绝缘层总厚度的一半。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述栅极绝缘层包括：第一栅极绝缘层，以及位于所述第一栅极绝缘层远离所述衬底基板一侧的第二栅极绝缘层；

所述采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子，包括：

在形成所述第一栅极绝缘层之后且形成所述第二栅极绝缘层之前，采用离子注入的方式向所述第一栅极绝缘层中注入负离子；

向所述第一栅极绝缘层中注入负离子的深度小于所述第一栅极绝缘层厚度的一半。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述第一栅极绝缘层为二氧化硅薄膜。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子，包括：

控制向所述栅极绝缘层中注入的负离子的能量为25keV-50keV。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，在所述采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子之后，还包括：

对注入的负离子进行活化处理。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述对注入的负离子进行活化处理，具体包括：

采用退火工艺对注入的负离子进行活化处理。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述采用退火工艺对注入的负离子进行活化处理，包括：

控制所述退火工艺的温度范围为100℃-400℃。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，在所述对注入的负离子进行活化处理之前，在所述衬底基板上形成栅极；

在所述活化处理的同时，或在所述活化处理之后，向所述栅极施加负电压。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述向栅极施加负电压，包括：

向所述栅极施加范围为20V-50V的负电压。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，所述采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入负离子，具体包括：

采用离子注入的方式向所述栅极绝缘层中注入氧离子。

本发明实施例还提供了一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管由上述制作方法制作而成。

本发明实施例还提供了一种显示装置，包括上述薄膜晶体管。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置，该制作方法包括：在衬底基板上形成栅极绝缘层；采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，该负离子能够与栅极绝缘层中的正离子结合。本发明实施例提供的制作方法中，通过向栅极绝缘层中注入负离子，可以降低栅极绝缘层中正电荷的浓度，从而缓解薄膜晶体管中阈值电压负偏的现象，因而也降低了驱动像素电路的功耗。

附图说明

图1为本发明实施例提供的薄膜晶体管的制作方法的流程示意图之一；

图2为本发明实施例中薄膜晶体管的结构示意图之一；

图3为本发明实施例中薄膜晶体管的结构示意图之二；

图4为本发明实施例提供的薄膜晶体管的制作方法的流程示意图之二。

具体实施方式

针对现有技术中存在的薄膜晶体管的阈值电压负偏的问题，本发明实施例提供了一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置。

下面结合附图，对本发明实施例提供的薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置的具体实施方式进行详细地说明。附图中各膜层的厚度和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

本发明实施例提供了一种薄膜晶体管的制作方法，如图1所示，包括：

S101、在衬底基板上形成栅极绝缘层；

S102、采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，该负离子能够与栅极绝缘层中的正离子结合。

本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法，通过向栅极绝缘层中注入负离子，可以降低栅极绝缘层中正电荷的浓度，从而缓解薄膜晶体管中阈值电压负偏的现象，因而也降低了驱动像素电路的功耗。

本发明实施例中提到的“阈值电压”和现有技术中本领域技术人员理解的“阈值电压”的概念相同，指的是，当薄膜晶体管中，有源层表面的电子浓度等于空穴浓度时，该薄膜晶体管的栅电压为阈值电压。若栅极绝缘层中存在过多的正离子，需要向栅电极施加更多的负电压，才能形成导电沟道，即栅极绝缘层中过多的正电荷，导致该薄膜晶体管的阈值电压负偏。

在具体实施时，上述步骤S102中，向栅极绝缘层中注入的负离子，可以为任何负离子，只要能够与栅极绝缘层中的正离子结合即可，例如硼离子或氧离子等，也可以为其他负离子，且可以注入高浓度的负离子，此处只是举例说明，并不对负离子的种类和浓度进行限定。上述栅极绝缘层可以由任何高介电常数的材料制作而成，例如氧化硅、氮化硅、氧化铝等，且上述栅极绝缘层可以是一层也可以是多层，此处不对栅极绝缘层的材料和层数进行限定。

在实际应用时，可以根据薄膜晶体管的阈值电压漂移的幅度来确定负离子的最大注入量，为了避免注入的负离子过多，而导致阈值电压正偏，在离子注入过程中，负离子的实际注入量可以稍小于确定出的最大注入量，例如实际注入量为最大注入量70％或80％，在离子注入过程中，离子注入设备可以通过离子电流的大小和离子注入时间准确的控制负离子的注入量，以保证负离子的注入量不超过最大注入量。

在实际应用中，可以根据栅极绝缘层的层数和厚度来确定注入负离子的深度，因而本发明实施例提供的上述制作方法可以有多种实现方式，以下通过实例进行说明：

实现方式一(如图2所示)：

栅极绝缘层仅包括第一栅极绝缘层203；

采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，可以包括：

采用离子注入的方式向第一栅极绝缘层203中注入深度小于第一栅极绝缘层203厚度一半的负离子。

同样参照图2，图中虚线L表示第一栅极绝缘层203的横截面的中线，虚线L以上和以下的厚度相等，在实现方式一中，是将负离子注入到虚线L以上的位置，是为了避免离子注入的过程中，负离子轰击对第一栅极绝缘层203之下的膜层产生影响，例如轰击到有源层202与第一栅极绝缘层203之间的界面，甚至轰击到有源层202内部，影响有源层202的性能，应当说明的是，上述第一栅极绝缘层203之下的膜层有可能是有源层202，也有可能是栅极，是由薄膜晶体管是顶栅型还是底栅型决定，在本发明实施例中均以顶栅型，即上述第一栅极绝缘层203之下的膜层为有源层202为例进行说明。在实现方式一中，向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度限定为小于该第一栅极绝缘层203厚度的一半，即将负离子注入到第一栅极绝缘层203的中部靠上的位置，然后通过离子扩散的方式，使负离子扩散至第一栅极绝缘层203中靠下的位置，也有一部分负离子会扩散至第一栅极绝缘层203与有源层202的界面处，以降低第一栅极绝缘层203中正电荷的浓度，并改善第一栅极绝缘层203与有源层202的界面态。在具体实施时，向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度也可以为其他数值，例如也可以设置为小于第一栅极绝缘层203厚度的3/4，只要不影响第一栅极绝缘层203之下的膜层即可，此处并不对向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度进行限定。

上述第一栅极绝缘层203可以由任何高介电常数的材料制作而成，例如氧化硅、氮化硅、氧化铝等，此处不对第一栅极绝缘层203的材料进行限定。

实现方式二(如图3所示)：

栅极绝缘层包括：第一栅极绝缘层203，以及位于第一栅极绝缘层203远离衬底基板一侧的第二栅极绝缘层204；

采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，可以包括：

在形成第二栅极绝缘层204之后，采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子；

向栅极绝缘层中注入负离子的深度小于第一栅极绝缘层203和第二栅极绝缘层204总厚度的一半。

参照图3，与上述实现方式一的原理类似，同样是为了避免离子注入对栅极绝缘层之下的膜层产生影响，向栅极绝缘层中注入负离子的深度优选为小于第一栅极绝缘层203和第二栅极绝缘层204总厚度的一半。在实际应用中，向栅极绝缘层中注入负离子的深度也可以为其他数值，例如也可以设置为小于第一栅极绝缘层203和第二绝缘层总厚度的3/4，只要不影响第一栅极绝缘层203之下的膜层即可，此处并不对向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度进行限定。在实际应用中，也可以结合正电荷聚集的位置来确定注入负离子的深度，例如若检测到正电荷主要集中在第二栅极绝缘层204，则可以设置负离子的注入深度较小，若检测到正电荷主要集中在第一栅极绝缘层203，则可以设置负离子的注入深度较大。

实现方式三(如图3所示)：

栅极绝缘层包括：第一栅极绝缘层203，以及位于第一栅极绝缘层203远离衬底基板一侧的第二栅极绝缘层204；

采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，可以包括：

在形成第一栅极绝缘层203之后且形成第二栅极绝缘层204之前，采用离子注入的方式向第一栅极绝缘层203中注入负离子；

向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度小于第一栅极绝缘层203厚度的一半。

上述实现方式三可以适用于正电荷主要集中于第一栅极绝缘层203的情况，在该情况下，先向第一栅极绝缘层203中注入负离子，再制作第二栅极绝缘层204，更容易使负离子与第一栅极绝缘层203中的正电荷结合，离子注入的能量也相对较小。此外，向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度优选为小于第一栅极绝缘层203厚度的一半，与上述实现方式一和二的原理类似，也是为了避免对第一栅极绝缘层203之下的其他膜层产生影响，此处不再赘述，在具体实施时，向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度也可以为其他数值，例如也可以设置为小于第一栅极绝缘层203厚度的3/4，只要不影响第一栅极绝缘层203之下的膜层即可，此处并不对向第一栅极绝缘层203中注入负离子的深度进行限定。

对于顶栅型薄膜晶体管，第一栅极绝缘层203更靠近导电沟道，一般距离导电沟道越近对阈值电压影响越大，所以一般第一栅极绝缘层203存在多余的正电荷，最容易导致薄膜晶体管的阈值电压负偏，因此，对于离子注入的顺序并不重要，可以先制作第二栅极绝缘层204再注入负离子，也可以先注入负离子再制作第二栅极绝缘层204。

进一步地，在上述实现方式二和实现方式三中，上述第一栅极绝缘层203优选为二氧化硅薄膜。

在实际应用中，上述二氧化硅薄膜中的主要成分为SiO₂，但由于该二氧化硅薄膜中的硅原子可能存在悬挂键，因此，在该二氧化硅薄膜中也可能存在SiO或Si等其他成分。硅原子存在的悬挂键使该原子表现为带正电荷，若二氧化硅薄膜中存在过多的正电荷，会阻碍薄膜晶体管的导电沟道的形成。此外，上述第二栅极绝缘层204可以由任何高介电常数的材料制作而成，例如氧化硅、氮化硅、氧化铝等，此处不对第二栅极绝缘的材料进行限定。

应当说明的是，图2和图3中，黑色圆圈200表示负离子，箭头表示注入负离子200的方向，只是为了更方便的示意本发明的实施例，并不代表实际负离子200的大小。

本发明实施例以栅极绝缘层仅包含第一栅极绝缘层203，或栅极绝缘层包括第一栅极绝缘层203和第二栅极绝缘层204为例进行说明，在具体实施时，栅极绝缘层也可以根据实际需要包括更多膜层，注入负离子的深度和位置需要根据正电荷聚集的位置，以及栅极绝缘层中各个膜层的厚度来确定，此处并不对栅极绝缘层包括的膜层数量进行限定。

具体地，本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，包括：

控制向栅极绝缘层中注入的负离子的能量为25keV-50keV。

在实际应用中，对于不同厚度的栅极绝缘层，可以通过调整注入的负离子的能量来控制注入负离子的位置，负离子的注入深度越大，需要的能量越大。

进一步地，本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，在采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子之后，还可以包括：

对注入的负离子进行活化处理。

通过对注入的负离子进行活化处理，可以大大增加负离子的活性，促进负离子的扩散，进而使负离子填补更多的硅原子的悬挂键，降低正电荷的浓度。例如，向二氧化硅薄膜中注入100个负离子，如果不进行活化处理，可能填补到硅原子的悬挂键的负离子个数约为50个，如果进行了活化处理，可以使注入的负离子中大部分填补到硅原子的悬挂键上，例如有大约99个(甚至100个)负离子能够填补到硅原子的悬挂键上。

具体地，上述对注入的负离子进行活化处理，可以具体包括：

采用退火工艺对注入的负离子进行活化处理。

本发明实施例中采用退火工艺对负离子进行活化处理，是本发明的优选实施方式，在具体实施时，也可以采用其他工艺实现活化处理，此处不对实现活化处理的具体工艺进行限定。

更具体地，采用退火工艺对注入的负离子进行活化处理，可以包括：

控制退火工艺的温度范围为100℃-400℃，优选为200℃。

在退火过程中，温度越高负离子的活性越高，但是考虑到薄膜晶体管器件能够承受的温度，退火工艺的温度不能无限增大，优选范围为100℃-400℃，最优温度值为200℃。

具体地，本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，在对注入的负离子进行活化处理之前，在衬底基板201上形成栅极；

在活化处理的同时，或在活化处理之后，向栅极施加负电压。

通过向栅极施加负电压，可以进一步促进负离子的扩散到二氧化硅薄膜与有源层202的界面附近，填补二氧化硅薄膜中以及该界面处的过剩硅的悬挂键，降低正电荷的浓度，增强栅极绝缘层的耐击穿性，并改善二氧化硅薄膜与有源层202的界面态。

在具体实施时，上述向栅极施加负电压的工艺可以在活化处理的同时，也可以在活化处理之后，优选为在活化处理的同时，向栅极施加负电压，一方面可以提高负离子的扩散速度，填补过剩硅的悬挂键的效果更好，另一方面两个操作同时进行也节省了处理的时间。上述活化处理和向栅极施加负电压的工艺，可以在制作薄膜晶体管的过程中进行，也可以在薄膜晶体管制作完成之后再进行，优选为在薄膜晶体管制作完成后进行，这样不会对薄膜晶体管的制作过程产生影响。

在实际应用中，在制作栅极绝缘层之前，还可以包括在衬底基板201上制作缓冲层和有源层202，可以包括沉积、晶化、刻蚀等工艺，对于制作栅极和有源层202的先后顺序，需要根据该薄膜晶体管是顶栅型还是底栅型来确定，本发明实施例中均以顶栅型，即栅极绝缘层之下的膜层是有源层202为例进行说明，此处并不对薄膜晶体管的类型进行限定。

具体地，向栅极施加负电压，可以包括：

向栅极施加范围为20V-50V的负电压，且向栅极施加的电压优选为30V。

在实际应用中，本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法中，采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入负离子，可以具体包括：

采用离子注入的方式向栅极绝缘层中注入氧离子。

栅极绝缘层中一般包括二氧化硅薄膜，向栅极绝缘层中注入的负离子优选为氧离子，会提高二氧化硅薄膜中的氧原子和硅原子的原子比，并在退火工艺的热处理条件下，能够形成更加致密稳固的二氧化硅，既填补了硅原子的悬挂键，降低了正电荷的浓度，又能够增强栅极绝缘层的耐击穿性。

以下结合图3和图4，以顶栅型薄膜晶体管，且栅极绝缘层包括二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜，即第一栅极绝缘层203为二氧化硅薄膜，第二栅极绝缘层204为氮化硅薄膜为例，对本发明实施例提供的最优实施方式进行说明：

S301、在衬底基板201上依次形成有源层202、二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜；

S302、控制离子注入的能量在25keV-50keV范围内，向栅极绝缘层中注入氧离子；其中，注入的氧离子主要集中在二氧化硅薄膜的中上部；

由于在氮化硅薄膜中一般会含有一定量的H^-离子，H^-离子可以填补氮化硅薄膜中的硅原子的悬挂键，而且，二氧化硅薄膜更靠近导电沟道，一般距离导电沟道越近对阈值电压影响越大，所以，导致薄膜晶体管阈值电压负偏的主要是二氧化硅薄膜，因此，优选为控制注入的氧离子主要集中在二氧化硅薄膜的中上部，即向二氧化硅薄膜中注入的氧离子的深度小于二氧化硅薄膜厚度的一半。

S303、制作薄膜晶体管的其他膜层，例如栅极；

S304、采用退火工艺对注入的氧离子进行活化处理，同时向栅极施加负电压；其中退火工艺的温度控制在200℃左右，向栅极施加的负电压控制在30V左右。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管由上述制作方法制作而成。由于该薄膜晶体管解决问题的原理与上述薄膜晶体管的制作方法相似，因此该薄膜晶体管的实施可以参见上述薄膜晶体管的制作方法的实施，重复之处不再赘述。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种显示装置，包括上述薄膜晶体管，该显示装置可以应用于手机、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。由于该显示装置解决问题的原理与上述薄膜晶体管相似，因此该显示装置的实施可以参见上述薄膜晶体管的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的上述薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管及显示装置，通过向栅极绝缘层中注入负离子，优选为氧离子，栅极绝缘层中包含二氧化硅薄膜时，提高了二氧化硅薄膜中的氧原子和硅原子的原子比，通过活化处理工艺以及向栅极施加电压，可以使氧离子扩散至二氧化硅薄膜与有源层的界面附近，可以填补二氧化硅薄膜中过剩硅的悬挂键，降低正电荷的浓度，从而缓解薄膜晶体管中阈值电压负偏的现象，因而也降低了驱动像素电路的功耗，同时也改善了二氧化硅薄膜与有源层的界面态，增强栅极绝缘层的耐击穿性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。