用于半导体薄膜晶体管的保护层及其实现和应用方法与流程

本发明涉及的是一种半导体领域的技术，具体是一种用于掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的保护层及其实现和应用方法。

背景技术：

非晶氧化物半导体薄膜晶体管(以非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管(a-igzotfts)为典型代表)，具有高迁移率(μfe>10cm²/v·s)、高开关电流比(ion/ioff>10⁸)、高可见光透过率(>80％)和低温制程工艺(常温磁控溅射)等诸多优点，但是其电学特性容易受到光照(尤其是短波长的uv光)和环境气氛(如氧气、水汽)等的影响，表现出不稳定的电学特性。

为了降低环境因素对于非晶氧化物半导体薄膜晶体管的影响，通常采用sio2、al2o3等保护层薄膜来改善器件的环境稳定性。但是这些保护层材料依然无法完全解决非晶氧化物半导体薄膜晶体管在光照条件下的不稳定特性。如在光照作用下，非晶氧化物半导体薄膜晶体管沟道中会产生较多的缺陷和俘获态，导致其阈值电压严重地负向漂移。研究人员通过各种方法试图来抑制非晶氧化物半导体薄膜晶体管的光照不稳定性。但是，这些方法对于器件光照稳定性的改善效果有限。

技术实现要素：

本发明针对现有非晶氧化物半导体薄膜晶体管的光照不稳定性问题，提出一种用于半导体薄膜晶体管的保护层及其实现和应用方法，通过能够遮蔽短波长紫外光且透过可见光的保护层以及掺氮工艺(沟道层)，获得高光照稳定性的非晶氧化物半导体薄膜晶体管。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的保护层，即铝锰锌氧化物薄膜(amzo)，由氧化铝al2o3、氧化锰mno和氧化锌zno组成。

所述的保护层中的三种组分的掺杂量范围分别为3％～90％wt％，优选为al2o3:mno:zno＝6:5:89wt％。

所述的保护层的厚度为25～1000nm，优选为100nm。

本发明涉及上述保护层的制备方法，通过将al2o3、mno和zno混合研磨，压制成靶后烧结，得到amzo靶材，通过在真空腔中进行磁控溅射，得到沉积于掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管上的保护层。

所述的真空腔的真空度范围为1×10^-3～5×10^-2torr，优选为2×10^-3torr。

所述的磁控溅射在惰性气氛中实现，该惰性气氛流量范围为20～50sccm的氩气，具体可为30sccm的氩气。

所述的磁控溅射的功率范围为50～200w，具体可为100w。

本发明涉及一种基于上述amzo薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的制备工艺，通过磁控溅射得到上述amzo薄膜，实现对薄膜晶体管特性(尤其是器件光照稳定性)的优化。

所述的工艺，具体包括如下步骤：

步骤1)在玻璃衬底上制备一层栅电极薄膜，利用图形化工艺形成栅电极图案；

所述的图形化工艺，包括但不限于曝光、显影、刻蚀、剥离。

步骤2)利用磁控溅射或pecvd工艺制备一层栅绝缘层薄膜(sio2、si3n4等)覆盖于栅电极图案之上。

步骤3)利用磁控溅射在栅绝缘层薄膜之上制备一层掺氮非晶氧化物半导体薄膜，并通过图形化工艺形成沟道图案；

所述的掺氮非晶氧化物半导体薄膜采用但不限于掺氮非晶铟镓锌氧化物(a-igzo:n)、掺氮非晶铟锌氧化物(a-izo:n)、掺氮非晶铟锌锡氧化物(a-izto:n)、掺氮非晶铟钨(a-iwo:n)等薄膜，优选为a-igzo:n薄膜。

步骤4)利用磁控溅射在沟道层图案之上制备一层源漏电极薄膜，并通过图形化工艺形成源漏电极图案；

步骤5)利用磁控溅射在源漏电极图案之上制备一层amzo薄膜

所述的步骤5)，优选在源漏电极图案之上预先制备一层sio2薄膜后，再在sio2薄膜之上制备所述的amzo薄膜，即采用双保护层薄膜来进一步改善薄膜晶体管的电学特性。

步骤6)利用图形化工艺在amzo薄膜之上形成接触孔，并进一步制备透明像素电极薄膜后，利用图形化工艺形成像素电极图案。

技术效果

与传统的采用sio2薄膜作为保护层的掺氮器件相比较，本发明amzo薄膜对短波长的uv光具有较好的遮蔽作用，而对可见光具有较高的透过率。在环境光照中，可见光对掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的器件性能影响不大，而短波长的具有较高能量的uv光会造成器件内缺陷态的变化，从而对其电学性能产生恶劣的影响。因此，采用单层amzo薄膜或双层sio2/amzo薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管能够很好地抑制器件沟道内缺陷态的变化，进而导致器件会具有稳定而可靠的光照稳定性。

其次，amzo薄膜具有比较好的致密性，能够起到很好地隔绝环境中水氧的作用，从而进一步改善掺氮器件的环境稳定性。

附图说明

图1为本发明中制备的amzo薄膜与传统的sio2薄膜的光透过率；

图2为本发明中采用单层amzo薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的结构示意图；

图3为本发明中采用双层amzo/sio2薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的结构示意图；

图4为本发明中所涉及的分别采用(a)单层sio2、(b)单层amzo和(c)双层amzo/sio2薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的光照稳定性；

图5为本发明中制备的具有amzo保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的工艺流程示意图；

图中：玻璃衬底210、栅电极层220、栅绝缘层230、掺氮非晶氧化物半导体层240、漏电极层251、源电极层252、amzo保护层260、第一保护层261、第二保护层262、接触孔270、像素电极层280。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例涉及的一种具有较好的遮蔽短波长的uv光的amzo薄膜与传统的sio2薄膜的光透过率的比较示意图，其中amzo薄膜为al2o3、mno和zno三种掺杂剂混合研磨，压制成靶，烧结后得到amzo靶材，再利用磁控溅射设备溅射所得。

所述的三种组分(al2o3、mno和zno)中，每种组分的掺杂量范围为3％～90％wt％，本实施例中，所采用的靶材比为al2o3:mno:zno＝6:5:89wt％。

如图2所示，为本实施例涉及的一种采用单层amzo薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管，包括：依次形成于玻璃衬底210之上的栅电极层220、栅绝缘层230、掺氮非晶氧化物半导体层240、漏电极层251、源电极层252、amzo保护层260、接触孔270以及像素电极层280。

所述的栅电极层220位于玻璃衬底210之上，一般常由钼、铝、铬、铜等金属材料构成。在大尺寸平板显示背板技术中，该栅电极层220通常由钼铌/铝钕合金所构成，既可获得良好的导电特性又可抑制薄膜表面出现“小丘”等不良。一般地，栅电极层220的厚度约为300nm。

所述的栅绝缘层230位于栅电极220和衬底210之上，并覆盖栅电极层220，一般由sio2或si3n4构成，厚度约为300nm。

所述的掺氮非晶氧化物半导体层240位于栅绝缘层230之上，采用以掺氮非晶铟镓锌氧(a-igzo:n)为代表的掺氮非晶氧化物半导体材料。掺氮非晶氧化物半导体层240的厚度范围在100～300nm以内。

所述的漏电极层251、源电极层252位于栅绝缘层230和掺氮非晶氧化物半导体层240之上，一般由钼、铝、铬、铜等金属材料构成，在大尺寸平板显示背板技术中漏电极层251、源电极层252一般由钼铌/铝钕合金构成，既可获取良好的导电特性又可抑制薄膜表面出现“小丘”等不良。一般地，漏电极层251、源电极层252的厚度约为300nm。

所述的amzo保护层260位于掺氮非晶氧化物半导体层240、漏电极层251、源电极层252以及栅绝缘层230之上，并且覆盖大部分区域。amzo保护层260厚度约为100nm。

实施例2

如图3所示，为本实施例涉及的一种采用双层amzo/sio2薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管，与实施例1相比，本实施例中的保护层包括：第一保护层261和第二保护层262，其中：第一保护层261位于有源层240、漏电极层251和源电极层252之上且位于第二保护层262之下。

所述的第一保护层261为sio2薄膜，利用磁控溅射或pecvd设备来制备，其厚度为50nm；

所述的第二保护层262为amzo薄膜，利用磁控溅射来制备，其厚度为50nm。

如图5所示，为基于上述amzo保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管制备工艺的流程示意图。其制备工艺包括以下步骤：

n10：在玻璃衬底上制备一层栅电极薄膜，且通过光刻与刻蚀来形成栅电极层图案；

n20：制备一层栅绝缘层薄膜；

n30：制备一层掺氮非晶氧化物半导体薄膜，通过光刻与刻蚀来形成沟道层图案；

n40：制备一层源漏电极薄膜，通过光刻与刻蚀来形成源漏电极层图案；

n50：制备一层amzo薄膜或双层sio2/amzo薄膜，通过光刻与刻蚀来形成接触孔图案；

n60：制备一层像素电极薄膜，通过光刻与刻蚀来形成像素电极层图案。

所述的步骤n10，成膜工艺可采用磁控溅射技术，一般可选用钼、铝、铬、铜等金属靶材。图形化工艺可采用湿法或干法刻蚀技术。根据材料的不同选用相应的刻蚀液或刻蚀反应气体。

所述的步骤n20，成膜工艺可采用磁控溅射或pecvd沉积技术。根据制备工艺的不同，选用相应的靶材或反应气体。

所述的步骤n30，成膜工艺一般采用射频磁控溅射技术，所采用的靶材是以非晶铟镓锌氧(a-igzo)为典型代表的非晶氧化物半导体材料。溅射气压为1pa，通过调整氮气与氩气的比例使氧化物薄膜内的掺氮量的原子百分比的范围在2％-5％以内，且使氧化物薄膜内载流子浓度的范围为10¹³-10¹⁵/cm³，从而使氧化物薄膜表现出半导体的特性。薄膜的图形化工艺通常采用湿法蚀刻技术。

所述的步骤n40，成膜工艺可采用磁控溅射技术，一般可选用钼、铝、铬、铜等金属靶材。图形化工艺可采用湿法或干法刻蚀技术。根据材料的不同选用相应的刻蚀液或刻蚀反应气体。

所述的步骤n50，成膜工艺主要采用磁控溅射技术。接触孔的图形化通常采用干法刻蚀技术。

所述的步骤n60，成膜工艺一般采用磁控溅射技术，薄膜材料一般采用ito材料，刻蚀工艺通常采用湿法刻蚀技术。

如图4a～图4c所示，为上述实施例中采用单层sio2、amzo薄膜以及双层amzo/sio2薄膜作为保护层的掺氮非晶氧化物半导体薄膜晶体管的光照稳定性测试结果。通过测试发现，具有单层amzo以及双层amzo/sio2保护层的a-igzo:ntft表现出了非常稳定的光照稳定性。与传统的sio2保护层相比较，amzo保护层能够通过遮蔽uv光和隔离环境气氛等作用，从而有效地改善器件的光照稳定性。但是，采用单层amzo保护层的器件的操作特性可能变差(阈值电压偏正、亚阈值变差)。然而，通过采用amzo/sio2双保护层结构的器件可以很好地解决这一问题。amzo/sio2双保护层薄膜不仅可以达到遮蔽uv光的目的，同时第一保护层(sio2层)的引入也减少了溅射amzo层时在沟道层中所造成的缺陷，从而可以获得较好的器件操作特性和光照稳定性。

综上所述，本发明与现有技术相比的效果包括：

1)amzo薄膜对短波长的uv光具有较好的遮蔽作用。因此，amzo保护层与掺氮工艺(沟道层)相结合能够很好地抑制器件沟道内缺陷态的变化，进一步提升非晶氧化物半导体薄膜晶体管的光照稳定性。另外，采用sio2/amzo双保护层的掺氮器件不仅可以改善器件的光照稳定性，同时也可以改善器件的操作特性(阈值电压、亚阈值摆幅等)。

2)amzo薄膜具有较好的致密性，能够很好地隔绝环境气氛中的水氧,从而可以进一步地改善掺氮器件的环境稳定性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。