專利名稱：一種改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管領(lǐng)域，特別是涉及一種改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管及其制作方法。
背景技術(shù)：
金屬氧化物薄膜晶體管主要用于有機(jī)發(fā)光顯示、液晶顯示以及電子紙的有源驅(qū)動(dòng)，也可以用于集成電路。近年來(lái)，基于金屬氧化物的薄膜晶體管因?yàn)槠溥w移率高、透光性好、薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制作溫度低以及成本低等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的重視。特別是以In-Ga-Zn-O(IGZO)為代表的氧化物半導(dǎo)體TFT技術(shù)，相對(duì)于a-Si TFT可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，相對(duì)于LTPS TFT·技術(shù)則可提高良率、降低成本并實(shí)現(xiàn)節(jié)能化；總體而言，IGZO TFT技術(shù)綜合性能優(yōu)越，已取得很多突破性的進(jìn)展。目前，IGZO技術(shù)的發(fā)展雖有很大進(jìn)展，但仍存在穩(wěn)定性、均勻性等問(wèn)題，阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界許多研究組針對(duì)IGZO膜層制備技術(shù)展開(kāi)研究，例如Takafumi Aoi 等人(Thin Solid Films, 2010, 518 (11) : 3004-3007)和 Dong Kyu Seo等人(Acta Materialia, 2011，59:6743-6750)報(bào)道采用不同的鍍膜方式(DC or RF)制備 IZGO 膜；Hai Q. Chiang 等人(Journal of Non-Crystalline Solids, 2008,354:2826-2830)、C. H. Jung 等人(Thin Solid Films 2009, 517 (14) : 4078 - 4081)和C.J. Chiu等人(Vacuum，2011, 86 (3) : 246-249)則分別從濺射氣壓、氧分壓、功率等鍍膜參數(shù)研究了 IGZO的制備技術(shù)；華南理工大學(xué)組專門(mén)針對(duì)底柵結(jié)構(gòu)，提出采用過(guò)渡層與半導(dǎo)體層來(lái)改善氧化物TFT特性的技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)?01010182715. 5)。還有研究組報(bào)道了有源層制備后的改善處理技術(shù)，例如Seok-Jun Seo 等人(Electrochemical and Solid-StateLetters, 2010, 13(10) :H357-H359)> Soyeon Park 等人(Journal of Nanoscience andNanotechnology, 2011, 11: 6029-6033)和 Chur-Shyang Fuh 等人(Thin Solid Films,2011，520(5) :1489-1494)通過(guò)改變溫度、氣氛、時(shí)間等退火條件對(duì)IGZO-TFT性能進(jìn)行優(yōu)化改善。除此之外，溝道保護(hù)層制備及材料的優(yōu)化也非常關(guān)鍵，Antonis Olziersky等人(Journal of Applied Physics, 2010, 108, 064505)和 Shou-En Liu 等人(IEEEElectron Device Letters, 2011, 32:161-163)通過(guò)研究溝道鈍化層的制作方式和材料類型。對(duì)IGZO氧化物半導(dǎo)體TFT的研究，大部分以底柵結(jié)構(gòu)的器件為主?，F(xiàn)也有報(bào)道采用頂柵器件可得到更好的TFT特性；但是，在IGZO鍍膜以后沉積絕緣層及電極，后續(xù)膜層制作工藝需在真空下、或等離子氛圍中制作，這會(huì)影響IGZO膜層的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶粒過(guò)小或過(guò)大，晶體界面之間結(jié)晶形態(tài)結(jié)構(gòu)不均勻、不合理；甚至產(chǎn)生缺陷，例如離子空位。因此，對(duì)于頂柵結(jié)構(gòu)而言，仍存在穩(wěn)定性、均勻性問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有薄膜晶體管器件的均勻性和穩(wěn)定性不足而提供一種穩(wěn)定性、均勻性優(yōu)良的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管。本發(fā)明的目的之二是提供上述薄膜晶體管的制作方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，該薄膜晶體管包括基板、有源層輔助電極、有源層、絕緣層、柵極、源極和漏極；其中，有源層輔助電極設(shè)于基板之上，有源層設(shè)于有源層輔助電極之上，源極設(shè)于有源層上側(cè)之一端，漏極設(shè)于有源層上側(cè)之另一端，絕緣層設(shè)于有源層上側(cè)之中部，柵極設(shè)于絕緣層之上；有源層輔助電極有兩支，均設(shè)于 基板與有源層之間并分別與源極和漏極相連接；有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)或單層膜層結(jié)構(gòu)，當(dāng)有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，從下而上依次為貧氧型金屬氧化物膜層、富氧型金屬氧化物膜層；當(dāng)有源層為單層膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，為金屬氧化物膜層。上述基板材料為硅片、玻璃或者陶瓷中的一種。上述有源層輔助電極可用帶電極層的玻璃形成，如ITO玻璃，或用濺射法制作的金屬電極。上述有源層為IGZO材料，IGZO是由銦、鎵、鋅和氧4個(gè)元素符號(hào)的英文首字母組成；所述有源層采用濺射方法制備，并且在濺射過(guò)程中使用同一個(gè)靶材，靶材的材料為(In2O3)x(Ga203)y (ZnO)z,其中O ( x、y、z ( I,且x+y+z=l ;在派射過(guò)程中選擇無(wú)氧或低氧氣氛得到貧氧型金屬氧化物膜層，選擇富氧氣氛得到富氧型金屬氧化物膜層。上述有源層在源極和漏極位置用開(kāi)孔的形式圖形化，使有源層輔助電極與源極和漏極直接相連接。上述絕緣層為絕緣金屬氧化物、硅基絕緣材料、高分子材料中的一種。上述硅基絕緣材料為二氧化硅、氮化硅絕緣材料中的一種或兩種復(fù)合材料。上述頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管的制作方法，包括以下步驟(以ITO基板為例)
a、在含ITO的基板上，采用掩模板圖形化ITO電極，形成有源層的輔助電極圖案；
b、在形成輔助電極后的基板上，采用濺射法制作有源層，選擇無(wú)氧或低氧氣氛得到貧氧型金屬氧化物膜層，選擇富氧氣氛得到富氧型金屬氧化物膜層；有源層制作完并圖形化后，高溫退火，退火溫度150°C 500°C，退火在大氣或含氧氣氛下進(jìn)行；
C、在有源層上側(cè)，采用濺射、化學(xué)氣相沉積、旋涂或印刷的方法制作絕緣層；并采用光刻或掩模方法得到絕緣層形狀；絕緣層制作完后，高溫退火，退火溫度150°C 50(TC，退火在大氣或含氧氣氛下進(jìn)行；
d、在絕緣層上通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作柵極，并采用光刻或掩模方法得到柵極形狀；
e、在柵極上側(cè)，采用濺射、化學(xué)氣相沉積、旋涂或印刷的方法制作鈍化層；并采用光刻或掩模方法得到鈍化層形狀；
f、在鈍化層圖案形成后，繼續(xù)采用鈍化層的掩模版，圖形化有源層與源漏電極接觸區(qū)的開(kāi)孔；
g、在鈍化層的源極接觸區(qū)上側(cè)通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作源極，并采用光刻或掩模方法得到源極形狀；在鈍化層的漏極接觸區(qū)上側(cè)通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作漏極，并采用光刻或掩模方法得到漏極形狀。上述有源層制作完后的退火溫度為150°C 350°C，所述絕緣層制作完后的退火溫度為150°C 350°C。上述源極、漏極和柵極的電極材料均為金屬Al、Mo、Cu、Ti或其他低電阻率的金屬材料中的一種或多種。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明針對(duì)有源層結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加有源層輔助電極的方法來(lái)減少接觸電阻；在有源層下方制作輔助電極，可有效提高薄膜晶體管的均勻性；并在適當(dāng)?shù)墓に囍羞M(jìn)行退火，從而得到高性能的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管。


圖I為本發(fā)明金屬氧化物薄膜晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中實(shí)施例I輸出特性曲線圖。·圖3為本發(fā)明中實(shí)施例I轉(zhuǎn)移特性曲線圖。圖4為本發(fā)明中實(shí)施例2輸出特性曲線圖。圖5為本發(fā)明中實(shí)施例2轉(zhuǎn)移特性曲線圖。圖6為本發(fā)明中實(shí)施例3輸出特性曲線圖。圖7為本發(fā)明中實(shí)施例3轉(zhuǎn)移特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)發(fā)明改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管及其制作方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖I所示，一種改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管該薄膜晶體管包括基板I、有源層輔助電極2、有源層3、絕緣層4、柵極5、源極和漏極6 ;其中，有源層輔助電極2設(shè)于基板I之上，有源層3設(shè)于有源層輔助電極2之上，源極6設(shè)于有源層3上側(cè)之一端，漏極6設(shè)于有源層3上側(cè)之另一端，絕緣層4設(shè)于有源層3上側(cè)之中部，柵極5設(shè)于絕緣層4之上；有源層輔助電極2有兩支，均設(shè)于基板I與有源層3之間并分別與源極和漏極6相連接；有源層3為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)或單層膜層結(jié)構(gòu)，當(dāng)有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，從下而上依次為貧氧型金屬氧化物膜層31、富氧型金屬氧化物膜層32，當(dāng)有源層3為單層膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，單層膜層3為金屬氧化物。所述絕緣層4為絕緣金屬氧化物或硅基絕緣材料或者高分子材料。所述有源層3采用濺射方法制備，并且在濺射過(guò)程中使用同一個(gè)靶材，靶材的材料為(In2O3)x(Ga203)y (ZnO)z,其中O ( x、y、z ( I,且x+y+z=l ;在派射過(guò)程中選擇無(wú)氧或低氧氣氛得到貧氧型金屬氧化物膜層31，選擇富氧氣氛得到富氧型金屬氧化物膜層32。所述基板I材料為硅片或者玻璃或者陶瓷；玻璃基板優(yōu)選為無(wú)堿玻璃基板或鍍有二氧化硅薄膜的玻璃基板。所述有源層輔助電極2材料為金屬Al、Mo、Cu、Ti或其他低電阻率的金屬材料中的一種或多種，這里優(yōu)選ΙΤ0。所述絕緣層4為絕緣金屬氧化物或者娃基絕緣材料或者高分子材料；進(jìn)一步,該硅基絕緣材料為二氧化硅或者氮化硅絕緣材料或者二者復(fù)合材料。上述改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管的制作方法包括以下步驟
a、采用含ITO電極的基板I，并采用光刻或掩模方法得到有源層輔助電極2的形狀；
b、在有源層輔助電極2上采用濺射法制作有源層3，選擇無(wú)氧或低氧氣氛得到貧氧型金屬氧化物膜層31，選擇富氧氣氛得到富氧型金屬氧化物膜層32 ;有源層制作完并圖形化后，高溫退火，退火溫度150°C 500°C，退火在大氣或含氧氣氛下進(jìn)行；
C、在有源層3上側(cè)，采用濺射、化學(xué)氣相沉積、旋涂或印刷的方法制作絕緣層4 ;并采用光刻或掩模方法得到絕緣層4形狀；絕緣層4制作完后，高溫退火，退火溫度150°C 500°C，退火在大氣或含氧氣氛下進(jìn)行；
d、在絕緣層4上通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作柵極5，并采用光刻或掩模方法得到柵極5形狀。e、在有源層3上側(cè)之一端，通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作源極6，并采用光刻或掩模方法得到源極6形狀；在有源層3上側(cè)之另一端在通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作漏極6，并采用光刻或掩模方法得到漏極6形狀；
進(jìn)一步，所述有源層3制作完后的退火溫度優(yōu)選為150°C 350°C，所述絕緣層4制作完后的退火溫度優(yōu)選為150°C 350°C。所述柵極5、源極和漏極6的電極材料均為金屬Al、Mo、Cu、Ti或其他低電阻率的金屬材料中的一種或多種，這里優(yōu)選Mo。實(shí)施例I
(O在無(wú)堿玻璃上，濺鍍20nm缺氧型IGZO (單組分Ar氣氛制作)，再用相同的靶材濺鍍5nm富氧型IGZO (單組分氧氣氛制作)；然后濕法刻蝕，圖形化IGZO ；
(2)在干氧氣氛和350°C溫度下退火一小時(shí)；
(3)在復(fù)合有源層上方濺鍍20nm二氧化硅與300nm氮化硅做為絕緣層； (4)在空氣和200°C溫度下退火一小時(shí)；
(5)濺鍍IOOnm金屬鑰做為柵電極；
(6)濺鍍IOOnm金屬鑰做為源/漏電極。另外，在該實(shí)施例I中，輸出特性曲線圖請(qǐng)參考圖2，轉(zhuǎn)移特性曲線圖請(qǐng)參考圖3。實(shí)施例2
在此實(shí)施中，根據(jù)與實(shí)施例I的方法和條件類似的方法和條件制作薄膜晶體管。不同之處在于，實(shí)施例I中的(2)在干氧氣氛和300°C溫度下退火一小時(shí)。另外，在該實(shí)施例2中，輸出特性曲線圖請(qǐng)參考圖4，轉(zhuǎn)移特性曲線圖請(qǐng)參考圖5。實(shí)施例3
在此實(shí)施中，根據(jù)與實(shí)施例I的方法和條件類似的方法和條件制作薄膜晶體管。不同之處在于增加及更改的步驟如下
(1)在無(wú)堿ITO玻璃上，濕法刻蝕，圖形化ΙΤ0，得到有源層輔助電極；
(2)IGZO圖形化后，在干氧氣氛和300°C溫度下退火一小時(shí)；
(3)IGZO圖形化過(guò)程中，在有有源層輔助電極區(qū)，IGZO進(jìn)行開(kāi)孔。另外，在該實(shí)施例3中，輸出特性曲線圖請(qǐng)參考圖6，轉(zhuǎn)移特性曲線圖請(qǐng)參考圖7。表I :各實(shí)施例的特性對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于該薄膜晶體管包括基板、有源層輔助電極、有源層、絕緣層、柵極、源極和漏極；其中，有源層輔助電極設(shè)于基板之上，有源層設(shè)于有源層輔助電極之上，源極設(shè)于有源層上側(cè)之一端，漏極設(shè)于有源層上側(cè)之另一端，絕緣層設(shè)于有源層上側(cè)之中部，柵極設(shè)于絕緣層之上；有源層輔助電極有兩支，均設(shè)于基板與有源層之間并分別與源極和漏極相連接；有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)或單層膜層結(jié)構(gòu)，當(dāng)有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，從下而上依次為貧氧型金屬氧化物膜層、富氧型金屬氧化物膜層；當(dāng)有源層為單層膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，為金屬氧化物膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述基板材料為硅片、玻璃或者陶瓷中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述有源層輔助電極可用帶電極層的玻璃形成，如ITO玻璃，或用濺射法制作的金屬電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述有源層為IGZO材料，IGZO是由銦、鎵、鋅和氧4個(gè)元素符號(hào)的英文首字母組成；所述有源層采用濺射方法制備，并且在濺射過(guò)程中使用同一個(gè)靶材，靶材的材料為(In2O3) x (Ga2O3) y (ZnO) z，其中O < x、y、z < 1，且x+y+z=l ;在濺射過(guò)程中選擇無(wú)氧或低氧氣氛得到貧氧型金屬氧化物膜層，選擇富氧氣氛得到富氧型金屬氧化物膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述有源層在源極和漏極位置用開(kāi)孔的形式圖形化，使有源層輔助電極與源極和漏極直接相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述絕緣層為絕緣金屬氧化物、硅基絕緣材料、高分子材料中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管，其特征在于所述硅基絕緣材料為二氧化硅、氮化硅絕緣材料中的一種或兩種復(fù)合材料。
8.—種權(quán)利要求I所述頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管的制作方法，其特征在于包括以下步驟(以ITO基板為例) a、在含ITO的基板上，采用掩模板圖形化ITO電極，形成有源層的輔助電極圖案； b、在形成輔助電極后的基板上，采用濺射法制作有源層，選擇無(wú)氧或低氧氣氛得到貧氧型金屬氧化物膜層，選擇富氧氣氛得到富氧型金屬氧化物膜層；有源層制作完并圖形化后，高溫退火，退火溫度150°C 500°C，退火在大氣或含氧氣氛下進(jìn)行； C、在有源層上側(cè)，采用濺射、化學(xué)氣相沉積、旋涂或印刷的方法制作絕緣層；并采用光刻或掩模方法得到絕緣層形狀；絕緣層制作完后，高溫退火，退火溫度150°C 50(TC，退火在大氣或含氧氣氛下進(jìn)行； d、在絕緣層上通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作柵極，并采用光刻或掩模方法得到柵極形狀； e、在柵極上側(cè)，采用濺射、化學(xué)氣相沉積、旋涂或印刷的方法制作鈍化層；并采用光刻或掩模方法得到鈍化層形狀； f、在鈍化層圖案形成后，繼續(xù)采用鈍化層的掩模版，圖形化有源層與源漏電極接觸區(qū)的開(kāi)孔； g、在鈍化層的源極接觸區(qū)上側(cè)通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作源極，并采用光刻或掩模方法得到源極形狀；在鈍化層的漏極接觸區(qū)上側(cè)通過(guò)濺鍍或蒸鍍方法制作漏極，并采用光刻或掩模方法得到漏極形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管的制作方法，其特征在于所述有源層制作完后的退火溫度為150°C 350°C，所述絕緣層制作完后的退火溫度為150°C 350°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管的制作方法，其特征在于所述源極、漏極和柵極的電極材料均為金屬Al、Mo、Cu、Ti或其他低電阻率的金屬材料中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改善器件均勻性的頂柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜晶體管及其制作方法，涉及薄膜晶體管領(lǐng)域。該薄膜晶體管包括基板、有源層輔助電極、有源層、絕緣層、柵極、源極和漏極；其中，有源層輔助電極設(shè)于基板之上，有源層設(shè)于有源層輔助電極之上，源極設(shè)于有源層上側(cè)之一端，漏極設(shè)于有源層上側(cè)之另一端，絕緣層設(shè)于有源層上側(cè)之中部，柵極設(shè)于絕緣層之上；有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)或單層膜層結(jié)構(gòu)，當(dāng)有源層為復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，從下而上依次為貧氧型金屬氧化物膜層、富氧型金屬氧化物膜層；當(dāng)有源層為單層膜層結(jié)構(gòu)時(shí)，為金屬氧化物膜層。本發(fā)明針對(duì)有源層結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加有源層輔助電極的方法來(lái)減少接觸電阻；在有源層下方制作輔助電極，可有效提高薄膜晶體管的均勻性。
文檔編號(hào)H01L21/28GK102969364SQ20121036828
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者向桂華, 王娟, 趙偉明 申請(qǐng)人:東莞有機(jī)發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 東莞彩顯有機(jī)發(fā)光科技有限公司