有源层的制作方法、氧化物薄膜晶体管及其制作方法与流程

本发明涉及显示技术领域，尤其是涉及一种有源层的制作方法、氧化物薄膜晶体管及其制作方法。

背景技术：

薄膜晶体管(TFT，Thin Film Transistor)主要应用于控制和驱动液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)、有机发光二极管(OLED，Organic Light-Emitting Diode)显示器的子像素，是平板显示的核心技术。

相比成熟的a-Si:H TFT和LTPS(Low Temperature Poly-silicon，低温多晶硅技术)TFT背板技术，基于金属氧化物半导体材料的TFT背板技术具有电子迁移率高(1～100cm²/Vs)、制备温度低(<400℃，远低于玻璃的熔点)、成本低(只需要普通的溅射工艺即可完成)以及持续工作稳定性好的特点，其被认为是下一代最有前景的TFT背板技术，受到学术界和产业界的广泛研究。

目前，氧化物薄膜晶体管存在的一个问题是生成的半导体沟道层往往具有很高的载流子浓度，使得有源区中的载流子不能完全被耗尽，导致晶体管的阈值电压为负值(对n型器件而言)，即在栅极电压为0时，沟道层中即有电流产生，器件不能完全关断。当要使器件关断，需要施加一个负的栅极电压，这将增加器件的功耗。

技术实现要素：

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种有源层的制作方法、氧化物薄膜晶体管及其制作方法，其通过阳极氧化的处理方法降低有源层的载流子浓度，实现器件阈值电压的正移(接近0V)，使得器件处于“常关”状态，从而获得高稳定性、低功耗器件。

其技术方案如下：

一种有源层的制作方法，包括以下步骤：

在基板上沉积氧化物薄膜，并对所述氧化物薄膜进行图形化处理获得氧化物层；

在基板上制作覆盖于所述氧化物层上的光刻胶层，并对所述光刻胶层进行图形化处理使所述氧化物层露出沟道区；

将所述基板置于电解液中，所述基板作为阳极，采用金属Pt作为阴极，对所述基板进行阳极氧化处理，所述沟道区上氧化物层经阳极氧化后形成有源层；

将基板取出，去除光刻胶层。

在其中一个实施例中，所述对基板进行阳极氧化处理的步骤采用先恒流氧化后恒压氧化的方法，恒定电流密度为0.1mA/cm²～0.5mA/cm²，恒定电压为20V～50V。

在其中一个实施例中，所述恒定电流密度为0.15mA/cm²，所述恒定电压为50V。

在其中一个实施例中，所述先恒流氧化后恒压氧化的方法具体为：先施加恒定电流，阳极和阴极之间的电压将随时间线性升高，当电压升高到恒定电压时，将该电压恒定维持30min～40min。

在其中一个实施例中，所述有源层的载流子浓度调控范围为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3。

在其中一个实施例中，采用物理气相沉积或溶液加工的方法在基板上沉积氧化物薄膜。

在其中一个实施例中，所述氧化物层的厚度为10nm～200nm。

在其中一个实施例中，所述氧化物薄膜为ZnO薄膜、In₂O₃薄膜、SnO₂薄膜、Ga₂O₃薄膜、ZrInO薄膜、InZnO薄膜、InSnO薄膜、InAlO薄膜、InWO薄膜、InGaZnO薄膜、InAlZnO薄膜、InTaZnO薄膜、InHfZnO薄膜中的一种或几种组合。

本技术方案还提供了一种氧化物薄膜晶体管的制作方法，其特征在于，包括上述的有源层的制作方法。

本技术方案还提供了一种氧化物薄膜晶体管，包括基板、栅极、栅极绝缘层、有源层、源极和漏极，所述有源层采用上述的有源层的制作方法制作而成。

下面对前述技术方案的优点或原理进行说明：

阳极氧化的工作原理为：电解液中的O^2-在电场的作用下移向氧化物薄膜(阳极)，与氧化物薄膜中的氧穴位(Vo²⁺)发生反应(Vo²⁺+O^2-→O)，从而消除氧化物薄膜中的氧空位，随着阳极氧化过程的进行，氧化物薄膜的氧穴位浓度持续减少。本发明通过阳极氧化处理氧化物薄膜的方式，来调节氧化物薄膜内的氧空位浓度，从而降低氧化物薄膜的载流子浓度，进而实现器件阈值电压的正移，最终，实现TFT器件阈值电压接近0，使得器件处于“常关”状态，获得高稳定性、低功耗器件。本发明可通过施加不同的阳极氧化电压以及阳极氧化时间来调节氧化物薄膜内的氧空位浓度，实现氧化物薄膜载流子浓度的调控。本发明提供的有源层的制作方法可在室温进行，可以有效地调节氧化物薄膜内的载流子浓度，实现薄膜电学性质由导体到半导体范围的调控。该方法具有简单易行、原材料利用率高、对环境无污染等优点，适用于工业生产。

附图说明

图1示意出了栅极形成的工艺步骤；

图2示意出了栅极绝缘层形成的工艺步骤；

图3示意出了氧化物层形成的工艺步骤；

图4示意出了光刻胶层形成的工艺步骤；

图5示意出了沟道区形成的工艺步骤；

图6示意出了阳极氧化处理的工艺步骤；

图7示意出了去除光刻胶层的工艺步骤；

图8示意出了源极和漏极形成的工艺步骤；

图9为本发明实施例一所述的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图；

图10为本发明实施例二所述的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图；

图11为本发明实施例三所述的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图；

图12为本发明实施例四所述的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线图。

附图标记说明：

10、基板，20、栅极，30、栅极绝缘层，40、氧化物层，41、沟道区，411、有源层，42、源区，43、漏区，50、光刻胶层，61、源极，62、漏极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明所述的氧化物薄膜晶体管为沟道刻蚀结构，具有结构简单、可获得最小尺寸器件结构的优点。该氧化物薄膜晶体管包括基板10、栅极20、栅极绝缘层30、有源层41、源极61和漏极62。本实施例所述有源层41为氧化物薄膜。所述氧化物薄膜为二元氧化物(ZnO、In2O3、SnO2、Ga2O3等)、三元氧化物(ZrInO、InZnO、InSnO、InAlO、InWO等)、四元氧化物(InGaZnO、InAlZnO、InTaZnO、InHfZnO等)中的一种或几种组合，厚度为10nm～200nm或10nm～100nm。

所述基板10可以为玻璃、塑料或表面被氧化的硅片等。

所述栅极20为导电材料，如金属、金属合金或导电金属氧化物ITO(In₂O₃-SnO₂)等，还可以是两层以上的导电材料，如Mo/Al/Mo等，厚度为100～500nm。

所述栅极绝缘层30可以为电介质材料如SiO₂、SiNx、Si-O-N、Al₂O₃、Ta₂O₅、Y₂O₃或HfO₂中的一层或多层，厚度为100nm～1000nm。

所述源极61以及漏极62为导电材料，如金属、金属合金或导电金属氧化物等，还可以是两层以上的导电材料，如Mo/Al/Mo等，厚度为50nm～1000nm。

本发明所述氧化物薄膜晶体管有多种结构类型，包括底栅顶接触结构、底栅底接触结构、顶栅顶接触结构以及顶栅底接触结构等。下面以底栅顶接触结构为例说明氧化物薄膜晶体管的制作方法，具体包括如下步骤：

S10、如图1所示，在基板10上通过磁控溅射的方法制作导电薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化所述导电薄膜，制备栅极20。

本发明也可采用真空蒸镀或溶液加工(旋涂甩膜法、喷墨打印法以及丝网印刷法等)等方法制备栅极20。

S20、如图2所示，在基板10上通过阳极氧化法、热氧化法、物理气相沉积法或化学气相沉积法制作电介质薄膜，并通过遮挡掩膜或光刻的方法图形化所述电介质薄膜，制备栅极绝缘层30。

S30、在基板10上制作氧化物薄膜有源层41。所述有源层41的制作方法具体包括：

S31、如图3所示，在基板10上沉积氧化物薄膜，并对所述氧化物薄膜进行图形化处理获得氧化物层40。

具体地，可将氧化物靶材装在溅射腔内靶位上进行磁控溅射沉积获得10nm～200nm的氧化物薄膜，制备的过程中利用摭挡掩模的方法进行图形化。

需要说明的是，本发明既可通过物理气相沉积也可通过溶液加工的方法在基板10上沉积氧化物薄膜，并不局限于磁控溅射的方法。所述物理气相沉积法指常见的薄膜沉积方法，如：磁控溅射、脉冲激光沉积(PLD)以及原子层沉积(ALD)等；所述溶液加工法指旋涂甩膜法、喷墨打印法以及丝网印刷法等。

S32、如图4所示，在基板10上制作光刻胶层50，所述光刻胶层50覆盖于所述氧化物层40上，并对所述光刻胶层50进行图形化处理(遮挡掩膜或光刻)使得所述氧化物层40露出沟道区41，如图5所示，沟道区41两侧则分别为源区42和漏区43。

S33、如图6所示，将所述基板10置于电解液中，所述基板10设置为阳极，采用金属Pt作为阴极，对所述基板10进行阳极氧化处理，所述沟道区41上氧化物层40经阳极氧化处理形成有源层411。

阳极氧化的工作原理为：电解液中的O^2-在电场的作用下移向氧化物薄膜(阳极)，与氧化物薄膜中的氧穴位(Vo²⁺)发生反应(Vo²⁺+O^2-→O)，从而消除氧空位，随着阳极氧化过程的进行，氧化物薄膜的氧穴位浓度持续减少，进而使得氧化物薄膜的载流子浓度减小。所述对基板10进行阳极氧化处理的步骤采用先恒流氧化后恒压氧化的方法，恒定电流密度为0.1mA/cm²～0.5mA/cm²，优选为0.15mA/cm²；恒定电压为20V～60V，优选为50V。所述先恒流氧化后恒压氧化的方法具体为：先施加恒定电流，阳极和阴极之间的电压将随时间线性升高，当电压升高到恒定电压时，将该电压恒定维持30min～40min，优选为40min。通过该阳极氧化处理方法，可使得氧化物薄膜的载流子浓度在10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3范围内调控；其电阻率在10Ωcm～10⁵Ωcm范围内调控；其光透过率在80％～90％范围内调控。

本实施例所述电解液为质量分数3.48wt％的酒石酸铵溶液，其中酒石酸铵与乙二醇的体积比为1:3，用以可提高电解液的电导率，降低阳极氧化所需能耗。

下面以ITO氧化物薄膜为例，对其阳极氧化处理过程以及处理结果进行说明：

将含有ITO薄膜的基板10浸泡在电解液中，所述基板10接阳极，金属Pt接阴极。先加恒定电流(0.1mA/cm²～0.5mA/cm²)，两电极之间的电压将随时间线性升高，当电压达到所设定的值(V_a＝10V/20V/30V/50V)时，再恒定这个电压(V_a)，持续时间约30min～40min，电流将随时间不断地减小，直到电流几乎没有明显变化为止。

表1记录了不同氧化电压(V_a)下ITO薄膜电学性能的变化情况：可以看出，ITO薄膜未进行阳极氧化时，表现为导体性质，方阻为13.5Ω/□，电阻率ρ为10^-4Ω·cm；阳极氧化后，方阻和电阻率均增大，且随着氧化电压增大，ITO薄膜的方阻增加至10Ω/□，电阻率增大到10⁵Ω·cm，表明ITO薄膜在阳极氧化后已由氧化前的导电薄膜转变为具有半导体性质的薄膜。该结果表明，通过阳极氧化方法可以实现氧化物薄膜的电学性能从导体向半导体范畴内的调控。

表1阳极氧化前后ITO薄膜的电学性能

下面以In2O3氧化物薄膜为例，对其阳极氧化处理过程以及处理结果进行说明：

将含有In₂O₃薄膜的基板10浸泡在电解液中，所述基板10接阳极，金属Pt接阴极。先加恒定电流(0.1mA/cm²～0.5mA/cm²)，两电极之间的电压将随时间线性升高，当电压达到所设定的值(V_a＝10V/20V/30V/50V)时，再恒定这个电压(V_a)，持续时间约30min～40min，电流将随时间不断地减小，直到电流几乎没有明显变化为止。

表2记录了不同氧化电压(V_a)下In₂O₃薄膜电学性能的变化情况：可以看出，In₂O₃薄膜未进行阳极氧化时，表现为导体性质，方阻为52Ω/□，电阻率ρ为10^-3Ω·cm；阳极氧化后，方阻和电阻率均增大，且随着氧化电压增大，In₂O₃薄膜的方阻增加至10⁹Ω/□，电阻率增大到10⁵Ω·cm，表明In₂O₃薄膜在阳极氧化后氧空位浓度大幅降低，薄膜载流子浓度下降，电阻增加。该结果表明，通过阳极氧化方法可以实现氧化物薄膜的电学性能的定向调控。

表2阳极氧化前后In₂O₃薄膜的电学性能

综上两个实验例可知，通过阳极氧化处理可以降低氧化物薄膜的载流子浓度，实现氧化物薄膜的半导体特性。本发明所述阳极氧化处理过程中，所述恒定电流密度优选为0.1mA/cm²～0.5mA/cm²，恒定电压优选为20V～50V。因为当恒定电流密度以及恒定电压值较小时，将导致阳极氧化过程不充分，使得氧化物薄膜内的氧空位不能得到有效地消除；而当恒定电流密度以及恒定电压值过大时，将导致阳极氧化速率过快，使得氧化物薄膜质量变差，如孔隙增多、薄膜致密性变差、粗糙度增加等，将影响薄膜晶体管的器件性能。因而本发明所述恒定电流密度优选为0.1mA/cm²～0.5mA/cm²，恒定电压优选为为20V～50V。同理，所述恒定电压持续时间也为30min～40min，用以获得合适载流子密度以及高质量的氧化物薄膜。

S34、在阳极氧化处理之后，将基板10取出，去除光刻胶层50，如图7所示。

S40、如图8所示，在基板10上通过磁控溅射的方法制作导电薄膜，并通过图形化处理获得源极61(对应源区42)和漏极62(对应漏区43)，源极61和漏极62位于有源层41两端并电性隔开。

还可包括在有源层411上方制作刻蚀阻挡层或钝化层等的步骤。

S50、将上述器件在空气中进行退火处理，退火温度150℃，退火时间30分钟，退火处理可达到减少氧化物薄膜自身以及与相邻层之间的缺陷，用以提高器件的稳定性(阈值电压接近0V)。至此，整个器件的制备过程完成。

需要说明的是，本文所述“在基板10上制作有源层41”、“在基板10上制作栅极20”等此类表述，均表示为有源层41以及栅极20等功能层均是以基板10为衬底制作而成，功能层可以是直接与基板10接触，也可以是通过居中的功能层设于基板10之上。如当薄膜晶体管为底栅顶接触结构时，步骤S30中“在基板10上制作氧化物薄膜有源层41”表示为“在已经制作有栅极20绝缘层30的基板10上制作有源层41”。

此外，本发明对上述步骤S10至S40的先后顺序不做限定。例如当氧化物薄膜晶体管为底栅顶接触结构时，则按照S10-S20-S30-S40-S50的先后顺序制作；当氧化物薄膜晶体管及其制作方法为底栅底接触结构时，则按照S10-S20-S40-S30-S50的先后顺序制作。当氧化物薄膜晶体管及其制作方法为顶栅顶接触结构时，则按照S30-S40-S20-S10-S50的先后顺序制作。当氧化物薄膜晶体管及其制作方法为顶栅底接触结构时，则按照S40-S30-S20-S10-S50的先后顺序制作。

下面结合具体实例说明阳极氧化处理对氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线的影响。

实施例一

本实施例所述氧化物薄膜晶体管为底栅顶接触结构，具体采用如下步骤制备而成：

在基板10上通过溅射的方法制备一层厚度为300nm的Al-Nd合金薄膜，并采用光刻的方法图形化制备栅极20。

在上述栅极20上通过阳极氧化法制备厚度为200nm的Nd:Al₂O₃薄膜，形成栅极绝缘层30；具体地，将上述制备好栅极20的基板10置于电解液中作为阳极，采用金属Pt作为阴极，进行阳极氧化制备栅极20绝缘层30。阳极氧化方法无需大型设备，并且可在室温下进行，制作简易。此外，因为氧化层中含有氧化铝，其介电常数较高，所以基于这种单一氧化绝缘层30的氧化物薄膜晶体管及其制作方法的阈值电压相对较低，有助于降低器件的功耗。

在栅极绝缘层30上方通过溅射的方法制备厚度50nm的ZrInO薄膜，并通过遮挡掩模方法图形化制得氧化物层40。

在上述氧化物层40上旋涂厚度为1000nm的光刻胶层50，并对光刻胶层50图形化处理，使得氧化物层40露出沟道区41。

将上述包含各功能层的基板10置于电解液中，进行阳极氧化。氧化物薄膜上未被光刻胶遮挡的部分(即沟道区41)被氧化，形成有源层411。

将上述阳极氧化完成后的基板10取出，去掉光刻胶层50。

在氧化物薄膜上方沉积导电薄膜ITO，并图形化形成源极61和漏极62。

将上述器件在空气中进行退火处理，退火温度150℃，退火时间30分钟，至此，整个器件的制备过程完成。

所制备的薄膜晶体管器件性能在空气中测试。图9是实施例一中不同氧化电压V_a条件下制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为20V，栅极电压(V_G)从-20V到20V扫描，测试漏极电流(I_D)。

从图9中可以看出，本实施例中ZrInO薄膜未进行阳极氧化处理(对应图9中un-anodized曲线，下同)时，器件阈值电压较负，需要在栅极20加上较大负电压才能使器件关断。进行阳极氧化处理后，器件的阈值电压表现为正向移动，且随着氧化电压增大，阈值电压持续正向移动。这说明，阳极氧化方法可以定向调节氧化物薄膜的电学性能，从而定向调节TFT的阈值电压。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，所不同的是本实施例所述氧化物薄膜为InZnO(IZO)薄膜。

图10是本实施例中不同氧化电压V_a下制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为20V，栅极电压(V_G)从-20V到20V扫描，测试漏极电流(I_D)。

从图10中可以看出，本实施例中IZO薄膜未进行阳极氧化处理时，器件阈值电压较负，需要在栅极20加上较大负电压才能使器件关断。进行阳极氧化处理后，器件的阈值电压表现为正向移动，且随着氧化电压增大，阈值电压持续正向移动。这说明，阳极氧化方法可以定向调节氧化物薄膜的电学性能，从而定向调节TFT的阈值电压。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，所不同的是本实施例所述氧化物薄膜为In2O3薄膜。

图11是本实施例中不同氧化电压V_a下制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为20V，栅极电压(V_G)从-20V到20V扫描，测试漏极电流(I_D)。

从图11中可以看出，本实施例中In₂O₃薄膜未进行阳极氧化处理时，器件阈值电压较负，需要在栅极20加上较大负电压才能使器件关断。进行阳极氧化处理后，器件的阈值电压表现为正向移动，且随着氧化电压增大，阈值电压持续正向移动。这说明，阳极氧化方法可以定向调节氧化物薄膜的电学性能，从而定向调节TFT的阈值电压。

实施例四

本实施例与实施例一基本相同，所不同的是本实施例所述氧化物薄膜为ITO薄膜。

值得注意的是，本实施例中，ITO被光刻胶遮挡的部分(04a和04b下方)未被氧化，具有良好的导电性能，而未被光刻胶遮挡的部分则被氧化形成有源层411。因此，本实施例中所述的TFT的有源层411和源、漏电极分别是呈现半导体性能和导体性能的ITO，属于同质结共平面结构，具有接触电阻小的优点。

图12是实施例7中不同氧化电压V_a下制备的薄膜晶体管测得的转移特性曲线，即漏极电流与栅极电压之间的关系。曲线的测试条件为：源极电压(V_S)为0V，漏极电压(V_D)恒定为20V，栅极电压(V_G)从-20V到20V扫描，测试漏极电流(I_D)。

从图12可以看出，本实施例中ITO薄膜未进行阳极氧化处理时，表现为导体性质，源、漏电极连通，不具有场效应特性；进行阳极氧化处理后(V_a＝10V)，器件开始出现场效应特性，但阈值电压较负，需要在栅极20加上较大的负电压器件才能关断；随着氧化电压增大，阈值电压持续正向移动，最终器件在0V附近能够被完全关断。这说明，阳极氧化方法可以将具有较高载流子浓度的ITO薄膜从导体范畴转变到相对较低载流子浓度的半导体范畴，充分说明阳极氧化方法可以在较大的范围内对氧化物薄膜的电学性能实现定向调控，从而可以较大幅度地实现对TFT的阈值电压的定向调节。

综上所述，本发明通过阳极氧化处理氧化物薄膜的方式，来调节氧化物薄膜内的氧空位浓度，从而降低氧化物薄膜的载流子浓度，进而实现器件阈值电压的正移，最终，实现TFT器件阈值电压接近0，使得器件处于“常关”状态，获得高稳定性、低功耗器件。本发明可通过施加不同的阳极氧化电压以及阳极氧化时间来调节氧化物薄膜内的氧空位浓度，实现氧化物薄膜载流子浓度的调控。本发明提供的有源层411的制作方法可在室温进行，可以有效地调节氧化物薄膜内的载流子浓度，实现薄膜电学性质由导体到半导体范围的调控。该方法具有简单易行、原材料利用率高、对环境无污染等优点，适用于工业生产。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。