一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及显示领域，具体涉及一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术：

金属氧化物薄膜晶体管已成为显示技术中一种新型的核心部件，已被广泛应用于有机电致发光显示器和液晶显示器等平板显示领域中。目前国内外关注的平板显示领域的重点是提高显示质量，实现其向大面积、高分辨率、薄型化、柔性可卷曲化。因此，薄膜晶体管技术是决定平板显示能否实现大尺寸、高分辨率的关键。与传统的硅基薄膜晶体管相比，金属氧化物薄膜晶体管具有宽禁带、高均匀性、高稳定性、高场效应迁移率等优点，而且金属氧化物薄膜晶体管的生产技术不但可以兼容现有的硅基平板显示工艺技术，还可实现低温甚至室温下在廉价的基板上大面积制备，有利于工业化生产，并且迎合现代化显示技术的发展趋势。

自2004年hosono等首次报道了以非晶铟镓锌氧化物为有源层的金属氧化物薄膜晶体管以来，在近十年中，非晶金属氧化物半导体成为薄膜晶体管有源层的研究热点，例如氧化锌，氧化铟锡，氧化铟锡锌，氧化铟和氧化镓锌等。而且与传统的硅基材料相比，宽禁带非晶金属氧化物半导体材料具有较低缺陷态密度。这使得金属氧化物薄膜晶体管在场效应迁移率、光透过率、均一性等方面优点明显，同时具有理想的工作特性曲线，包括低阈值电压、低关态电流、陡亚阈值摆幅、可忽略的电滞现象等。

在制备金属氧化物薄膜晶体管过程中，其结构、各层薄膜的制备条件、光刻技术、刻蚀方法和退火方法等因素都影响金属氧化物半导体禁带中缺陷类型及其态密度和有源层与绝缘层界面电荷陷阱密度，从而影响motft的工作特性和稳定性。在当前平板显示领域中，底栅(反交叠型)结构应用最为广泛。对于无刻蚀阻挡层和钝化层的底栅型薄膜晶体管，若有源层背沟道表面暴露于空气中，薄膜晶体管稳定性因场致吸收/解吸收效应易受空气中的氧气和水汽影响。然而，通过制备刻蚀阻挡层和钝化层能有效提高设备稳定性。近年来，国内外研究者采用各种绝缘体材料作为钝化层，例如氧化硅、氮化硅、氧化钛和氧化铝等。此外，反交叠型结构的一个缺点是栅极与源漏区域之间存在重叠覆盖部分，从而产生寄生电容，导致器件的高频特性变化变坏，影响薄膜晶体管的工作速度，致使薄膜晶体管背板中信号延迟。同时，寄生电容也会影响平板显示器每个像素点中驱动薄膜晶体管的工作电压，严重影响像素点发光的均匀性。因此，为实现下一代大面积、高分辨率、大规模集成平板显示器，可通过基板的背面曝光技术制备栅极与源漏区域之间完美对准结构消除寄生电容，提高金属氧化物薄膜晶体管电路工作速度，改善平板显示器中像素点均匀发光。然而，在制备薄膜晶体管过程中，其结构、各层薄膜的制备条件、光刻技术、刻蚀方法和退火方法等因素都影响金属氧化物半导体禁带中缺陷类型及其态密度和有源层与绝缘层界面电荷陷阱密度，从而影响晶体管的工作特性和稳定性。

由于在开关/驱动液晶显示器和有机电致发光显示器时，薄膜晶体管经常工作在负栅极偏压并暴露于背光或自然光下，同时薄膜晶体管受到基板的热效应作用，尤其在负偏压照光应力和正偏压温度应力条件下，会引起阈值电压漂移。已报道阈值漂移归因于电荷束缚于栅绝缘层、有源层与绝缘层界面、有源层、阻挡层与有源层界面、产生的深受主类型缺陷等几个方面，这是造成薄膜晶体管稳定性劣化的关键因素。

纵观各面板商和科研机构的研究，为从根本上解决金属氧化物薄膜晶体管稳定性问题，可通过引入新元素使氧化物半导体中存在的缺陷失活来实现，如氢气退火处理，氢气等离子体处理等。目前现有的引入新元素方法在实施过程中所需的实验条件比较苛刻，通常需要高温高压、非常昂贵的仪器设备或者工艺复杂，且均匀性差、可重复性差。因此，实现工艺简单、低成本、大面积且高性能motft的可控制备是当前面临的重大挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明工艺简单、均匀性好、重复性好、大面积且稳定性高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底、依次层叠设置在衬底上的栅极、栅绝缘层、金属氧化物半导体层、刻蚀阻挡层和含掺杂元素绝缘体钝化层，以及设置在含掺杂元素绝缘体钝化层外侧且分别与金属氧化物半导体层连接的源极和漏极，所述含掺杂元素绝缘体钝化层为掺氟氧化硅薄膜层、掺氟氮化硅薄膜层、掺氮氧化硅薄膜层和掺氢氮化硅薄膜层中的任意一种；所述含掺杂元素绝缘体钝化层中的掺杂元素为氟元素、氮元素和氢元素中的至少一种。

进一步地，所述金属氧化物半导体层包括源极接触区、漏极接触区，以及连接源极接触区和漏极接触区的沟道区；所述含掺杂元素绝缘体钝化层在对应源极接触区和漏极接触区的位置分别设有一贯穿的通孔，所述源极和漏极分别经过该通孔。

进一步地，所述的底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管的场效应迁移率为12～15cm²v^-1s^-1，开启电压小于0.5v，亚阈值摆幅小于0.2，在20v正偏压应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v，在-20v负偏压460nm的光照应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.2v。

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：在衬底上依次形成栅极、栅绝缘层、金属氧化物半导体层后，以栅极为掩模板采用背向uv曝光技术形成刻蚀阻挡层；

步骤二：制备含掺杂元素绝缘体钝化层，含掺杂元素绝缘体钝化层包含绝缘体主体和掺杂元素，所述掺杂元素与绝缘体主体同时在化学气相沉积工艺中形成；

步骤三：对含掺杂元素绝缘体钝化层进行打孔，使得金属氧化物半导体层两端各有一个曝露的表面；然后沉积源极和漏极，所述源极和漏极分别经过含掺杂元素绝缘体钝化层上的孔与金属氧化物半导体层连接；

步骤四：退火，含掺杂元素绝缘体钝化层中的掺杂元素以刻蚀阻挡层为屏障向金属氧化物半导体层未被刻蚀阻挡层遮挡的部分以及刻蚀阻挡层热扩散。

进一步地，化学气相沉积工艺的气体氛围包括四氟化硅、氨气、氮气中的至少一种，所述含掺杂元素绝缘体钝化层中的掺杂元素为氟、氮、氢中的至少一种元素。

进一步地，化学气相沉积工艺的气体氛围为硅烷、一氧化二氮和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层为掺氮氧化硅薄膜层。

进一步地，化学气相沉积工艺的气体氛围为四氟化硅、一氧化二氮和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层为掺氟氧化硅薄膜层。

进一步地，化学气相沉积工艺的气体氛围为四氟化硅、氨气和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层为掺氟氮化硅薄膜层。

进一步地，化学气相沉积工艺的气体氛围为硅烷、氨气和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层为掺氢氮化硅薄膜层。

进一步地，步骤四中的热扩散是采用快速退火方式进行热处理，退火温度为250-350℃，退火时间为60-180分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的自对准结构金属氧化物薄膜晶体管，通过背向uv曝光技术，以底栅作为掩膜板形成刻蚀阻挡层，利用等离子体增强化学气相沉积法制备钝化层的同时，通过调控等离子体增强化学气相沉积法前驱体气氛对源漏电极和有源层进行离子注入以提高薄膜晶体管的结构、光学、电学、热学稳定性；其结构和作用原理如下所述。(1)自对准结构不但能避免源漏电极和栅极之间的寄生电容，而且能有效控制薄膜晶体管尺寸，从而提高平板显示器的分辨率；(2)通过调节等离子体增强化学气相沉积法沉积过程中前驱体气氛，实现源漏电极区域金属氧化物薄膜表面等离子处理，降低源漏电极表面粗糙度，同时降低金属氧化物薄膜和源漏电极之间的势垒；(3)调节等离子体增强化学气相沉积法实验参数，实现引入元素对源漏电极区域金属氧化物薄膜离子注入能力，增加源漏电极区域载流子浓度，获得低电阻率金属氧化物薄膜；(4)优化刻蚀阻挡层的厚度和退火处理时间，致使引入元素均匀注入扩散到金属氧化物半导体层和刻蚀阻挡层界面、金属氧化物半导体层、金属氧化物半导体层和栅绝缘层界面之间，扩散元素可以填充金属氧化物半导体中氧空位位置降低金属氧化物半导体缺陷态密度，同时有效降低金属氧化物半导体薄膜与绝缘层界面的陷阱密度，从而提高薄膜晶体管工作性能和光学与电学稳定性。

本发明方法通过背向uv曝光技术，以栅极作为掩膜板形成刻蚀阻挡层，利用等离子体增强化学气相沉积法简单制备含氟、氮或氢元素钝化层的同时，直接对源漏电极区域进行均匀离子注入，此外，通过调控等离子体增强化学气相沉积法前驱体气氛和优化刻蚀阻挡层厚度及退火处理时间，又可以实现某种元素在薄膜晶体管有源层中的均匀扩散，从而提高薄膜晶体管的稳定性。此发明方法实现的自对准型金属氧化物薄膜晶体管具有工艺简单、均匀性好、大面积、重复性好、稳定性高的特点。

进一步地，本发明方法兼容现有的平板显示工艺技术，适用于工业化生产，提高生产效率。

进一步地，本发明能够对薄膜晶体管中源漏电极和有源层实现热扩散处理，适用范围广，可获得理想的高稳定性自对准结构金属氧化物薄膜晶体管。

进一步地，本发明在250-350℃的热处理环境中在改善氧化物半导体层质量的同时，通过热扩散作用有效地提高薄膜晶体管的稳定性。

附图说明

图1为本发明的底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管的结构示意图。

图中：1为衬底，2为栅极，3为栅绝缘层，4为金属氧化物半导体层，40为沟道区，41为源极接触区，42为漏极接触区，5为刻蚀阻挡层，6为含掺杂元素绝缘体钝化层，7为源极，8为漏极。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细描述：

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管，其场效应迁移率大于12cm²v^-1s^-1，开启电压小于0.5v，亚阈值摆幅小于0.2，在20v正偏压应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v，在-20v负偏压460nm的光照应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.2v，包括衬底1、依次层叠设置在衬底1上的栅极2、栅绝缘层3、金属氧化物半导体层4、刻蚀阻挡层5和含掺杂元素绝缘体钝化层6，以及设置在含掺杂元素绝缘体钝化层6外侧且分别与金属氧化物半导体层4连接的源极7和漏极8，所述含掺杂元素绝缘体钝化层6为掺氟氧化硅薄膜层、掺氟氮化硅薄膜层、掺氮氧化硅薄膜层、掺氢氧化硅薄膜层和掺氢氮化硅薄膜层中的任意一种；所述含掺杂元素绝缘体钝化层6中的掺杂元素为氟元素、氮元素和氢元素中的至少一种。

其中，金属氧化物半导体层4包括源极接触区41、漏极接触区42，以及连接源极接触区41和漏极接触区42的沟道区40；所述含掺杂元素绝缘体钝化层6在对应源极接触区41和漏极接触区42的位置分别设有一贯穿的通孔，所述源极7和漏极8分别经过该通孔。

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：在衬底1上依次形成栅极2、栅绝缘层3、金属氧化物半导体层4后，以栅极2为掩模板采用背向uv曝光技术形成刻蚀阻挡层5；

步骤二：制备含掺杂元素绝缘体钝化层6，含掺杂元素绝缘体钝化层6包含绝缘体主体和掺杂元素，所述掺杂元素与绝缘体主体同时在化学气相沉积工艺中形成；化学气相沉积工艺的气体氛围包括四氟化硅、氢气、氮气中的至少一种，所述含掺杂元素绝缘体钝化层6中的掺杂元素为氟、氮、氢中的至少一种元素；

当化学气相沉积工艺的气体氛围为硅烷、一氧化二氮和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层6为掺氢氧化硅薄膜层；

当化学气相沉积工艺的气体氛围为四氟化硅、一氧化二氮和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层6为掺氟氧化硅薄膜层；

当化学气相沉积工艺的气体氛围为四氟化硅、氨气和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层6为掺氟氮化硅薄膜层；

当化学气相沉积工艺的气体氛围为硅烷、氨气和氮气，所形成的含掺杂元素绝缘体钝化层6为掺氢氮化硅薄膜层；

步骤三：对含掺杂元素绝缘体钝化层6进行打孔，使得金属氧化物半导体层4两端各有一个曝露的表面；然后沉积源极7和漏极8，所述源极7和漏极8分别经过含掺杂元素绝缘体钝化层6上的孔与金属氧化物半导体层4连接；

步骤四：退火，含掺杂元素绝缘体钝化层6中的掺杂元素以刻蚀阻挡层5为屏障向金属氧化物半导体层4未被刻蚀阻挡层5遮挡的部分以及刻蚀阻挡层5热扩散，热扩散是采用快速退火方式进行热处理，退火温度为250-350℃，退火时间为60-180分钟。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管制备方法，包括如下步骤：

1)金属氧化物半导体薄膜的制备：基于图1结构在衬底1上制备栅极2、栅绝缘层3之后，利用磁控溅射方法制备金属氧化物半导体层4时，以靶材为氧化铟镓锌为例，沉积气体氛围是氩气和氧气，其比例为29.4:0.6sccm，沉积温度为150℃，沉积功率为180w，沉积压强为1pa，沉积厚度为50nm。

2)之后参照图1制备刻蚀阻挡层5，厚度为150nm。

3)采用背向uv曝光技术，以栅极2为掩膜板，结合光刻技术，形成自对准结构刻蚀阻挡层5，之后对金属氧化物半导体层4进行刻蚀图案化。

4)含掺杂元素绝缘体钝化层6的制备：在步骤3)之后，采用等离子增强化学气相沉积法制备掺氟氮化硅，沉积气体氛围是四氟化硅、氨气、氮气，其流量分别为2、50、120sccm，沉积压强为110pa，沉积功率为50w，沉积温度为170℃，沉积厚度为100nm。

5)在步骤4)之后，依次制备源极7、漏极8。

6)利用快速退火方式对薄膜晶体管进行热处理，退火温度为350℃，退火时间为180分钟，退火氛围为氮气。

具有掺氟氮化硅钝化层的自对准结构氧化铟镓锌薄膜晶体管的场效应迁移率为12cm²v^-1s^-1，开启电压为0.5v，亚阈值摆幅小于0.2；在20v正偏压应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v，在-20v负偏压光照(460nm)应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.2v。其光照稳定性可与现有的商用多晶硅薄膜晶体管相媲美。

实施例2

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管制备方法，包括如下步骤：

1)金属氧化物半导体薄膜的制备：基于图1结构在衬底1上制备栅极2、栅绝缘层3之后，利用非真空化学气相沉积法制备金属氧化物半导体层4时，以氧化铟锌为例，前驱液为氟化锌、醋酸铟，溶剂为水和甲醇，分别为10和90ml，室温下搅拌3小时，之后用0.2μm滤网过滤。沉积条件如下，沉积气体为空气，沉积温度为350℃，沉积厚度为45nm。

2)之后参照图1制备阻挡层5，厚度为50nm。

3)采用背向uv曝光技术，以栅极2为掩膜板，结合光刻技术，形成自对准结构刻蚀阻挡层5，之后对金属氧化物半导体层4进行刻蚀图案化。

4)含掺杂元素绝缘体钝化层6的制备：在步骤3)之后，采用等离子增强化学气相沉积法制备掺氟氧化硅，沉积气体氛围是四氟化硅、一氧化二氮、氮气，其流量分别为2、100、120sccm，沉积压强为110pa，沉积功率为50w，沉积温度为170℃，沉积厚度为100nm。

5)在步骤4)之后，依次制备源极7、漏极8。

6)利用快速退火方式对薄膜晶体管进行热处理，退火温度为250℃，退火时间为120分钟，退火氛围为氮气。

具有掺氟氧化硅钝化层的自对准结构氧化铟锌薄膜晶体管的场效应迁移率为14cm²v^-1s^-1，开启电压为0.5v，亚阈值摆幅小于0.2；在20v正偏压应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v，在-20v负偏压光照(460nm)应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.2v。其光照稳定性可与现有的商用多晶硅薄膜晶体管相媲美。

实施例3

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管制备方法，包括如下步骤：

1)金属氧化物半导体薄膜的制备：基于图1结构在衬底1上制备栅极2、栅绝缘层3之后，利用旋涂法制备金属氧化物半导体层4时，以氧化铟锌为例，前驱液为0.1m醋酸锌、0.1m硝酸铟，溶剂为水，室温下搅拌3小时，之后用0.2μm滤网过滤。之后在4000rpm条件下旋涂30s，之后在空气氛围下250℃热处理1小时。

2)之后参照图1制备阻挡层5，厚度为100nm。

3)采用背向uv曝光技术，以栅极2为掩膜板，结合光刻技术，形成自对准结构刻蚀阻挡层5，之后对金属氧化物半导体层4进行刻蚀图案化。

4)含掺杂元素绝缘体钝化层6的制备：在步骤3)之后，采用等离子增强化学气相沉积法制备掺氢氮化硅，沉积气体氛围是硅烷、氨气、氮气，其流量分别为2、100、120sccm，沉积压强为110pa，沉积功率为50w，沉积温度为170℃，沉积厚度为100nm。

5)在步骤4)之后，依次制备源极7、漏极8。

6)利用快速退火方式对薄膜晶体管进行热处理，退火温度为300℃，退火时间为120分钟，退火氛围为氮气。

具有掺氢氮化硅钝化层的自对准结构氧化铟锌薄膜晶体管的场效应迁移率为12cm²v^-1s^-1，开启电压为0.4v，亚阈值摆幅小于0.2；在20v正偏压应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v，在-20v负偏压光照(460nm)应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.2v。其光照稳定性可与现有的商用多晶硅薄膜晶体管相媲美。

实施例4

一种底栅自对准结构金属氧化物薄膜晶体管制备方法，包括如下步骤：

1)金属氧化物半导体薄膜的制备：参照图1自对准结构薄膜晶体管结构在衬底1上制备栅极2、栅绝缘层3，利用磁控溅射方法制备金属氧化物半导体层4时，以靶材为氧化铟锡锌为例，其原子个数比为1:1:1，沉积气体氛围是氩气、氧气，其流量分别为15和15sccm，沉积温度为150℃，沉积功率为150w，沉积压强为1pa，沉积厚度为50nm。

2)阻挡层5的制备：在步骤1)之后，采用等离子增强化学气相沉积法制备阻挡层5，沉积气体氛围是硅烷、一氧化二氮、氮气，其流量分别为2、100、120sccm，沉积压强为110pa，沉积功率为50w，沉积温度为170℃，沉积厚度为50nm。

3)采用背向uv曝光技术，以栅极2为掩膜板，结合光刻技术，形成自对准结构刻蚀阻挡层5，之后对金属氧化物半导体层4进行刻蚀图案化。

4)含掺杂元素绝缘体钝化层6的制备：在步骤3)之后，采用等离子增强化学气相沉积法制备掺氮氧化硅，沉积气体氛围是硅烷、一氧化二氮、氮气，其流量分别为2、50、120sccm，沉积压强为110pa，沉积功率为50w，沉积温度为170℃，沉积厚度为100nm。

5)在步骤4)之后，依次制备源极7、漏极8。

6)利用快速退火方式对薄膜晶体管进行热处理，退火温度为350℃，退火时间为60分钟，退火氛围为氮气。

具有掺氮氧化硅钝化层的自对准结构氧化铟锡锌薄膜晶体管的场效应迁移率为15cm²v^-1s^-1，开启电压为0.3v，亚阈值摆幅小于0.2；在20v正偏压应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v，在-20v负偏压光照(460nm)应力10⁴s条件下阈值电压漂移小于0.1v。其光照稳定性可与现有的商用多晶硅薄膜晶体管相媲美。

本发明实现的具有高稳定性自对准结构金属氧化物薄膜晶体管器件，可应用于主动矩阵有机发光二极管显示器和液晶显示器以及柔性、便携式电子产品领域。需要说明的是，本发明实例中涉及的实验参数、工作环境、测试条件、器件尺寸、配比比例等并不限制金属氧化物薄膜晶体管器件的制备工艺，在实际生产过程中，可根据具体情况做出相应的调整。以上实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，尽管实例中对本发明做出了详细说明，本领域的科研技术工作者应当理解，可对本发明列出的实验方案进行修改或替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。