CN102437194A - 金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

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张其国
汪梅林
韩学斌
朱棋锋
申剑锋
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Abstract

本发明公开了一种金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底，在衬底上形成有栅电极，在衬底和栅电极上形成有栅绝缘层，在栅绝缘层上对应于栅电极的部分形成有沟道层，在沟道层和栅绝缘层上面覆盖有保护层，在保护层的刻蚀孔和沟道层上形成有源电极和漏电极，所述保护层分为第一保护层和第二保护层两层，第一保护层覆盖在沟道层和栅绝缘层上面，第二保护层覆盖在第一保护层上面，第二保护层的硬度和致密性大于第一保护层。本发明还公开了一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法。本发明的技术方案，能使金属氧化物薄膜晶体管电学特性比较稳定。

Description

金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术，特别涉及一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
薄膜晶体管的应用范围广，如可以应用在显示装置的开关器件和驱动器件。在薄膜晶体管中，其电学性能和沟道层的材料和形态有密切的关系。在商业生产的液晶显示装置中，薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)沟道层主要为非晶硅层，其迁移率较低，约为0.5cm2/Vs的电荷迁移率，因此其应用于大屏幕、高频驱动显示器件上有较大限制。
近年来，人们已经对使用氧化物半导体材料层作为TFT的沟道层进行了研究，如在ZnO类薄膜晶体管中，沟道层可由ZnO类材料(例如：Zn氧化物、InZn氧化物或GaInZn氧化物)形成。其优点是可以在相对低的温度下制备晶体管阵列，此外，由于ZnO类薄膜晶体管可处于非晶态，所以可在相对大的面积上形成ZnO类薄膜晶体管。更为重要的一点是，其具有比非晶硅层高的电荷迁移率。如Ga-In-Zn-O层是一种ZnO基材料层，它的电荷迁移率比非晶硅层高几十倍。因此，使用ZnO类材料作为沟道层的薄膜晶体管预期将成为显示装置的下一代驱动器件。
然而，使用ZnO基材料层用作薄膜晶体管沟道层，在后续工艺制程中存在被损伤的风险。图1是传统薄膜晶体管的视图。一般的薄膜晶体管制程是现在衬底10上形成栅电极20，在衬底10和栅极20的部分上形成栅绝缘层30，然后在栅绝缘层30的对应于栅极20的部分上形成沟道40，沟道层是由Zn氧化物类材料形成。然后在沟道40上形成源电极50和漏电极60，最后在沟道层40、源电极50和漏电极60上形成保护层70。但沟道层40会在等离子干法刻蚀或药液湿法刻蚀工艺中被破坏。例如，在一般采用湿法刻蚀工艺制备金属源电极50和漏电极60时，电极材料会残留在沟道40上；另外，刻蚀金属一般用的酸液也会对Zn氧化物产生腐蚀。这些因素都会导致晶体管电学特性的劣化。
美国专利US20090256147提到了采用单层的有机物如聚酰亚胺作为沟道的保护层，但是实际效果并不理想，因该层有机保护层比较脆弱，在后续工序中易被各种化学药液、轻微摩擦等外界因素的损伤，并不能使得沟道区域得到较好的保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是使得金属氧化物薄膜晶体管电学特性比较稳定。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底，在衬底上形成有栅电极，在衬底和栅电极上形成有栅绝缘层，在栅绝缘层上对应于栅电极的部分形成有沟道层，在沟道层和栅绝缘层上面覆盖有保护层，在保护层的刻蚀孔和沟道层上形成有源电极和漏电极，所述保护层分为第一保护层和第二保护层两层，第一保护层覆盖在沟道层和栅绝缘层上面，第二保护层覆盖在第一保护层上面，第二保护层的硬度和致密性大于第一保护层。
所述沟道层可以是Zn氧化物半导体层。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
一.在衬底上形成栅电极；
二.在衬底和栅电极上形成栅绝缘层；
三.在栅绝缘层上对应于栅电极的部分形成沟道层；
四.在沟道层和绝缘栅层上涂覆第一保护层；
五.在第一保护层上生长第二保护层，第二保护层的硬度和致密性大于第一保护层；
六.在包括第一保护层及第二保护层的保护层上进行光刻工艺制备出刻蚀孔，接着在刻蚀孔处和沟道层上形成源电极和漏电极。
较佳的，第一保护层为旋涂聚酰亚胺或PVA，第二保护层为SiNx、SiO2或Ta2O5，第一保护层采用低温涂覆方法形成，第二保护层采用物理气相沉积方式或化学气相沉积方式形成；通过溅射法或溶液法形成Zn氧化物半导体材料层作为沟道层。
本发明的金属氧化物薄膜晶体管，含有双层保护层，利用双层保护层可以实现源、漏电极图形的精确加工，同时还可以避免晶体管中锌基氧化物类沟道层受到后续工艺中药液或轻微外力等外界的影响，因为双层保护层的作用，所制备的器件的电学特性比较稳定，同时，该双层保护层的制备工艺上并不需要增加光刻工艺次数，操作简单，易于实现大规模生产，并降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对本发明或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是传统氧化物薄膜晶体管的剖视图；
图2是本发明的金属氧化物薄膜晶体管一实施例结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图2所示，金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底10，在衬底10上形成有栅电极20，在衬底10和栅电极20上形成有栅绝缘层30，在栅绝缘层30上对应于栅电极20的部分形成有沟道层40，在沟道层40和栅绝缘层30上面覆盖有保护层，在保护层的刻蚀孔和沟道层40上形成有源电极50和漏电极60，所述保护层分为第一保护层70和第二保护层80两层，第一保护层覆盖在沟道层40和栅绝缘层30上面，第二保护层80覆盖在第一保护层70上面，第二保护层80的硬度和致密性大于第一保护层70。
较佳的，第一保护层70为旋涂聚酰亚胺或PVA等有机材料薄膜，第二保护层80为SiNx、SiO2或Ta2O5等硬度、致密性较第一保护层70大的无机材料薄膜。
较佳的，衬底10是硅基板、玻璃基板或塑料基板，衬底10可以是透明或不透明；
较佳的，栅电极20是金属层，可以是Mo单层、包括Mo层的多金属层、包括Ti的金属层或包括Cu、Au的金属层；
较佳的，栅绝缘层30是氮化硅、氧化硅层或高K值绝缘有机材料；
较佳的，沟道层40是氧化物半导体材料层，例如Zn氧化物半导体层，包括ZnO、InZnO和InGaZnO等；
实施例二
本发明的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
一.在衬底上形成导电材料构成的栅电极；
二.在衬底和栅电极上形成栅绝缘层；
三.在栅绝缘层上对应于栅电极的部分形成沟道层；
四.在沟道层和绝缘栅层上涂覆第一保护层；
五.在第一保护层上生长第二保护层，第二保护层的硬度和致密性大于第一保护层；
六.在包括第一保护层及第二保护层的保护层上进行光刻工艺制备出刻蚀孔，接着在刻蚀孔处和沟道层上形成源电极和漏电极。
较佳的，第一保护层为旋涂聚酰亚胺或PVA等有机材料薄膜，第二保护层为SiNx、SiO2或Ta2O5等无机材料薄膜，第一保护层采用旋涂、狭缝涂布、喷洒涂布等低温涂覆方法形成，第二保护层采用物理气相沉积(PVD)方式或化学气相沉积(PECVD)方式形成。
较佳的，使用物理气相沉积(PVD)方式形成金属层，然后将金属层通过光刻工艺形成栅电极。
较佳的，使用化学气相沉积(PECVD)方式或物理气相沉积(PVD)方式形成氮化硅或氧化硅层作为栅绝缘层，或者采用涂覆工艺涂覆高K值绝缘有机材料作为栅绝缘层。
较佳的，通过溅射法或溶液法形成Zn氧化物半导体材料层(如ZnO、InZnO和InGaZnO等)作为沟道层。
较佳的，源电极和漏电极，可以在曝光显影后，等离子体刻蚀保护层形成刻蚀孔，然后采用物理气相沉积(PVD)方式或蒸镀法形成。
一般来说，本发明的金属氧化物薄膜晶体管可以加工形成二维和三维的集成器件中的元件，这些集成器件可以应用在柔性集成电路、有源矩阵显示等方面，本发明的金属氧化物薄膜晶体管可以采用低温制程。
本发明的金属氧化物薄膜晶体管，含有双层保护层，利用双层保护层可以实现源、漏电极图形的精确加工，同时还可以避免晶体管中锌基氧化物类沟道层受到后续工艺中药液或轻微外力等外界的影响，因为双层保护层的作用，所制备的器件的电学特性比较稳定，同时，该双层保护层的制备工艺上并不需要增加光刻工艺次数，操作简单，易于实现大规模生产，并降低成本。

Claims (10)

1.一种金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底，在衬底上形成有栅电极，在衬底和栅电极上形成有栅绝缘层，在栅绝缘层上对应于栅电极的部分形成有沟道层，在沟道层和栅绝缘层上面覆盖有保护层，在保护层的刻蚀孔和沟道层上形成有源电极和漏电极，其特征在于，
所述保护层分为第一保护层和第二保护层两层，第一保护层覆盖在沟道层和栅绝缘层上面，第二保护层覆盖在第一保护层上面，第二保护层的硬度和致密性大于第一保护层。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
第一保护层为有机材料薄膜，第二保护层为硬度和致密性大于第一保护层的无机材料薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
第一保护层为旋涂聚酰亚胺或PVA，第二保护层为SiNx、SiO2或Ta2O5。
4.根据权利要求1或2所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
所述衬底是硅基板、玻璃基板或塑料基板。
5.根据权利要求1或2所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
所述栅电极是Mo单层、包括Mo层的多金属层、包括Ti的金属层或包括Cu、Au的金属层。
6.根据权利要求1或2所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
所述栅绝缘层是氮化硅或氧化硅层。
7.根据权利要求1或2所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
所述沟道层是氧化物半导体材料层。
8.根据权利要求7所述的金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，
所述沟道层是Zn氧化物半导体层。
9.一种金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一.在衬底上形成栅电极；
二.在衬底和栅电极上形成栅绝缘层；
三.在栅绝缘层上对应于栅电极的部分形成沟道层；
四.在沟道层和绝缘栅层上涂覆第一保护层；
五.在第一保护层上生长第二保护层，第二保护层的硬度和致密性大于第一保护层；
六.在包括第一保护层及第二保护层的保护层上进行光刻工艺制备出刻蚀孔，接着在刻蚀孔处和沟道层上形成源电极和漏电极。
10.根据权利要求9所述的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，
第一保护层为旋涂聚酰亚胺或PVA，第二保护层为SiNx、SiO2或Ta2O5，第一保护层采用低温涂覆方法形成，第二保护层采用物理气相沉积方式或化学气相沉积方式形成；
通过溅射法或溶液法形成Zn氧化物半导体材料层作为沟道层。
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