專利名稱：基于氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及基于氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管的制備方法，本發明應用在有機發光顯示、液晶顯示、電子紙顯示等領域，也可以用于集成電路領域。
背景技術：
有機電致發光顯示(OLED)以其視角寬、響應速度快、對比度高、省電等優點越來越受到人們的重視。目前，小尺寸的無源OLED顯示器已經應用在手機等產品上，但大尺寸的OLED顯示器必須采用有源驅動的方式。薄膜晶體管(TFT)是有源OLED顯示器的背板的核心單元。目前用在平板顯示的TFT的半導體溝道層的材料主要是硅材料，包括非晶硅(a-Si:H)、多晶硅、微晶硅等。然而非晶硅TFT具有對光敏感、遷移率低(< lcmVVs)和穩定性差等缺點；多晶硅TFT雖然具有較高的遷移率，但是由于晶界的影響導致其電學均勻性差，且多晶硅制備溫度高和成本高；微晶硅制備難度大，晶粒控制技術難度高，不容易實現大面積規模量產。基于氧化物半導體的TFT具有載流子遷移率較高(I 100cm2/Vs)、制備溫度低、對可見光透明等優點，在平板顯示的TFT基板領域，有替代用傳統硅工藝制備的TFT的發展趨勢。傳統的硅半導體一般采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法制備，而以氧化鋅(ZnO)為代表的氧化物半導體的制備方法一般采用濺射的方法，這就使得半導體溝道層、柵極、源漏電極的制備可以在同一個設備(濺射儀)中進行；然而，絕緣層大多采用二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)，它們依然要使用PECVD的方法制備，使設備成本無法下降；同時PECVD的方法制備SiO2或氮化硅SiNx需要較高的溫度(大于300攝氏度)，使得器件無法在柔性襯底上制備。因此，尋找無需PECVD、低溫制備的絕緣層是降低TFT制備成本、提高其應用范圍的一個方向。
發明內容
為克服現有技術的缺點和不足，本發明的目的在于提供了基于陽極氧化的氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管的制備方法，使用陽極氧化的方法制備絕緣層，使整個薄膜晶體管在制備過程能在較低溫度下進行，能大大降低設備和材料的成本，并且能降低器件的工作電壓。本發明目的通過如下技術方案實現基于氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包含如下步驟(I)柵極基片的制備在玻璃基板上通過濺射的方法制備鉭或鉭合金薄膜，該薄膜的厚度為IOOnm 600nm，通過掩模或光刻的方法圖形化，得到柵極；(2)陽極氧化絕緣層的制備
將所制備的柵極基片放入電解質溶液中通電進行陽極氧化處理，在柵極表面形成一層氧化鉭(Ta2O5)薄膜，其厚度為IOOnm 300nm，即為陽極氧化絕緣層；
(3)溝道層的制備在陽極氧化絕緣層上面通過濺射的方法制備溝道層，該溝道層的厚度為20nm lOOnm，通過掩模或光刻的方法圖形化，得到溝道層；(4)漏極和源極的制備 在溝道層上面通過派射的方法制備一層厚度為IOOnm 500nm的導電薄膜,通過掩模、光刻或者剝起的方法圖形化，同時得到漏極和源極。優選地，步驟⑴和(4)所述濺射的本底真空度小于I X 10 ,氬氣氣壓為O. 2 2Pa，功率為 O. 3 10W/cm2。優選地，步驟(2)所述陽極氧化處理的步驟如下將柵極基片放入電解質溶液的一端接電源正極，電源負極接石墨或金屬(如鐵、鉬、鈦、不銹鋼等)放入電解質溶液的另外一端，先在陽極和陰極之間加恒定的電流，此恒定電流大小為O. I ImA/cm2,陽極和陰極之間的電壓將隨時間線性升高，當電壓達到設定值80V 150V時恒定這個電壓，直至陽極和陰極之間的電流小于等于O. 05mA/cm2時，在柵極表面形成一層氧化鉭薄膜，此氧化膜的厚度與陽極氧化過程中設定的電壓值成正比，此氧化膜即為陽極氧化絕緣層。優選地，步驟(2)所述電解質溶液為檸檬酸、硫酸或者為酒石酸銨和乙二醇的混合液。優選地，步驟(3)所述濺射的本底真空度小于等于IX 10_3Pa，氬氣偏壓為O. 2 2Pa，氧氣偏壓為O O. 3Pa，功率為O. 3 10W/cm2。優選地，步驟(3)所述溝道層的材料為氧化物半導體材料，所述氧化物半導體材料為在氧化鋅中摻入銦(In)、鎵(Ga)、鋁(Al)、釹(Nd)、鉭(Ta)、鎳(Ni)或錫(Sn)等元素中的一種或多種元素。這些材料具有較高的電子遷移率、對可見光透明、可通過濺射成膜、穩定性較好、制備溫度低等優點。優選地，步驟(4)所述的源極和漏極材料為導電材料，如鋁(Al)、鑰(Mo)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鉬(Pt)、鈦(Ti)或氧化銦錫(ITO)等。上述方法制備的薄膜晶體管，包括基板、柵極、陽極氧化絕緣層、溝道層、源極和漏極；所述柵極位于基板之上，陽極氧化絕緣層包覆于柵極之上，溝道層位于陽極氧化絕緣層之上，源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔。相對于現有技術，本發明具有如下優點和有益效果(I)本發明還采用了陽極氧化的方法制備絕緣層，所述的陽極氧化是一種將所制備的鉭柵極的基片放入電解質溶液中通電后在柵極表面形成一層氧化層的方法。陽極氧化無需大型設備，并且可在室溫下進行。此外，因為陽極氧化的氧化鉭的介電常數較高，所以基于這種絕緣層的薄膜晶體管的閾值電壓相對較低，有助于降低器件的功耗。(2)本發明使用了摻雜氧化鋅半導體材料作為溝道層，所述的摻雜氧化鋅材料為在氧化鋅中摻入銦、鎵、鋁、釹、鉭、鎳或錫等元素中的一種或多種元素，這類材料具有遷移率高、制備溫度低、均勻性好、對可見光透明、可通過濺射的方法制備等優點。綜上所述，本發明技術手段簡便易行，具有高性能、低成本、低制備溫度、低功耗、閾值電壓較低以及載流子遷移率較高等優點，便于推廣應用。
圖I是本發明所制備的薄膜晶體管的截面示意圖；圖2是本發明所述的基于氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管的溝道的長度和寬度的示意圖；圖3是實施例I中所制備的薄膜晶體管的轉移特性曲線；圖4是實施例2中所制備的薄膜晶體管的轉移特性曲線；
圖5是實施例3中所制備的薄膜晶體管的轉移特性曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細描述。實施例I本實施例制備的薄膜晶體管(其結構示意圖如圖I所示)，包括基板10、柵極11、陽極氧化絕緣層12、溝道層13、源極14a和漏極14b ;柵極11位于基板10之上，陽極氧化絕緣層12包覆于柵極11之上，溝道層13位于陽極氧化絕緣層12之上，源極14a和漏極14b分別覆蓋在溝道層13的兩端并且相互間隔，此間隔的距離即為溝道長度(L)，源極14a和漏極14b的前后端的長度即為溝道寬度(W)如圖2所示。其中，基板10的材料為無堿玻璃，厚度為O. 4mm ；柵極11使用純鉭，通過濺射的方法制備一層400nm厚的Ta，濺射本底真空度為9X 10_4Pa，氬氣氣壓為O. 6Pa，功率為5W/cm2，通過光刻的方法成形；陽極氧化絕緣層12為通過陽極氧化制備，陽極氧化中使用的電解質溶液為檸檬酸溶液，將制備好鉭柵極11的基片和不銹鋼板放入電解質溶液中分別作為陽極和陰極，先在陽極和陰極之間加恒定的電流O. ImA/cm2,陽極和陰極之間的電壓將隨時間線性升高，當電壓達到100V，恒定100V，直至陽極和陰極之間的電流減小至O. O ImA/cm2時，將基片取出用氮氣吹干再清洗，在柵極表面形成一層氧化鉭薄膜，測得氧化膜厚度為200nm，即為陽極氧化絕緣層12 ；利用ZnO中同時摻入Al、Nd、In(Nd-Al-In-Zn-O)材料作為溝道層13，溝道層13通過濺射的方法制備，濺射的本底真空度為9X 10_4Pa，氬氣偏壓為為O. 5Pa，氧氣偏壓為為
O.04Pa，功率為lW/cm2，所制備的膜的厚度為30nm，通過光刻的方法成形；源極14a和漏極14b的材料為ΙΤ0，通過濺射的方法制備，濺射的本底真空度為9 X l(T4Pa，氬氣偏壓為為O. 6Pa，功率為O. 5ff/cm2,厚度為250nm，通過剝起(lift-off)的方法形成溝道的寬度和長度分別為100 μ m和10 μ m,寬長比為10 I。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試。圖3是實施例I的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極電流與柵極電壓之間的關系。曲線的測試條件為源極電壓(Vs)為0V，漏極電壓(Vd)恒定為5V，柵極電壓(Vg)從-IOV到IOV掃描，測試漏極電流(Id)。計算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為8. Icm2V-Is-1,閾值電壓為0V。從圖3還可以看出器件的最大工作電壓只有10V，在這個電壓下的輸出電流高達20微安(μΑ)。實施例2本實施例柵極11使用純鉭，通過濺射的方法制備一層400nm厚的Ta，濺射 本底真空度為9X10_4Pa，氬氣氣壓為O. 6Pa，功率為5W/cm2，通過光刻的方法成形；陽極氧化絕緣層12為通過陽極氧化制備，陽極氧化中使用的電解質溶液為檸檬酸溶液，將制備好鉭柵極11的基片和不銹鋼板放入電解質溶液中分別作為陽極和陰極，先在陽極和陰極之間加恒定的電流ImA/cm2，陽極和陰極之間的電壓將隨時間線性升高，當電壓達到100V，恒定100V，直至陽極和陰極之間的電流減小至O.OlmA/cm2時，將基片取出用氮氣吹干再清洗，在柵極表面形成一層氧化鉭薄膜，測得氧化膜厚度為200nm，即為陽極氧化絕緣層12 ；利用ZnO中同時摻入IruGa(In-Ga-Zn-O)材料作為溝道層13，溝道層13通過濺射的方法制備，濺射的本底真空度為9X10_4Pa，氬氣偏壓為為O. 5Pa，氧氣偏壓為為O. 04Pa，功率為lW/cm2，所制備的膜的厚度為30nm，通過光刻的方法成形。
其它膜層的材料和制備方法以及薄膜晶體管的結構與實施例I完全相同。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試。圖4是實施例2的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極電流與柵極電壓之間的關系。曲線的測試條件為源極電壓(Vs)為0V，漏極電壓(Vd)恒定為10V，柵極電壓(Ve)從-IOV到20V掃描，測試漏極電流(Id)。計算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為3. Zcm2V-1S-1,閾值電壓為6V，遷移率的降低主要是因為溝道層中含有Ga，抑制了部分載流子的產生。實施例3本實施例利用ZnO中同時摻入Sn(Zn-Sn-O)材料作為溝道層13，溝道層13通過濺射的方法制備，濺射的本底真空度為9X10_4Pa，氬氣偏壓為為O. 5Pa，氧氣偏壓為為
O.04Pa，功率為lW/cm2，所制備的膜的厚度為30nm，通過光刻的方法成形。其它膜層的材料和制備方法以及薄膜晶體管的結構與實施例I完全相同。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試，測試方法與實施例I完全相同。圖5是實施例3的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線。計算得到薄膜晶體管的載流子遷移率為
4.3cm2V^s^,閾值電壓為-IV，器件的最大工作電壓只有10V。如上所述便可較好的實施本發明。通過如上實施例可以看出本發明的基于陽極氧化絕緣層的薄膜晶體管的整個制備過程只需用一種大型設備(濺射儀)，因此其制備成本低；此外，這種薄膜晶體管的工作電壓較低(最大電壓只有10V)有助于降低器件的功耗；再來，這種薄膜晶體管使用了摻雜氧化鋅半導體材料作為溝道層，遷移率相對較高。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包含如下步驟(1)柵極基片的制備在玻璃基板上通過濺射的方法制備鉭或鉭合金薄膜，該薄膜的厚度為IOOnm 600nm，通過掩模或光刻的方法圖形化，得到柵極；(2)陽極氧化絕緣層的制備將所制備的柵極基片放入電解質溶液中通電進行陽極氧化處理，在柵極表面形成一層氧化鉭薄膜，其厚度為IOOnm 300nm，即為陽極氧化絕緣層；(3)溝道層的制備在陽極氧化絕緣層上面通過濺射的方法制備溝道層，該溝道層的厚度為20nm lOOnm，通過掩模或光刻的方法圖形化，得到溝道層；(4)漏極和源極的制備在溝道層上面通過濺射的方法制備一層厚度為IOOnm 500nm的導電薄膜，通過掩模、光刻或者剝起的方法圖形化，同時得到漏極和源極。
2.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述陽極氧化處理的步驟如下將柵極基片放入電解質溶液的一端接電源正極，電源負極接石墨或金屬放入電解質溶液的另外一端，先在陽極和陰極之間加恒定的電流為O. I ImA/cm2，陽極和陰極之間的電壓將隨時間線性升高，當電壓達到設定值80V 150V時恒定這個電壓，直至陽極和陰極之間的電流小于等于O. 05mA/cm2時，在柵極表面形成一層氧化鉭薄膜，即為陽極氧化絕緣層。
3.根據權利要求I或2所述的制備方法，其特征在于，所述電解質溶液為檸檬酸、硫酸或者為酒石酸銨和乙二醇的混合液。
4.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)和(4)所述濺射的本底真空度小于等于I X 10，a，氬氣氣壓為O. 2 2Pa，功率為O. 3 10W/cm2。
5.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述濺射的本底真空度小于等于lXl(T3Pa，氬氣偏壓為O. 2 2Pa，氧氣偏壓為O O. 3Pa，功率為O. 3 10W/cm2。
6.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述溝道層的材料為氧化物半導體材料，所述氧化物半導體材料為在氧化鋅中摻入銦、鎵、鋁、釹、鉭、鎳和錫元素中的一種或多種。
7.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的源極和漏極材料為鋁、鑰、鉻、銅、鎳、鉭、金、銀、鉬、鈦或氧化銦錫。
8.根據權利要求I 7任意一項方法制備的薄膜晶體管，其特征在于，該晶體管包括基板、柵極、陽極氧化絕緣層、溝道層、源極和漏極；所述柵極位于基板之上，陽極氧化絕緣層包覆于柵極之上，溝道層位于陽極氧化絕緣層之上，源極和漏極分別覆蓋在溝道層的兩端并且相互間隔。
全文摘要
本發明公開了一種基于氧化鉭絕緣層的薄膜晶體管及其制備方法，包含如下步驟(1)在玻璃基板上通過濺射的方法制備鉭或鉭合金薄膜，通過掩模或光刻的方法圖形化，得到柵極；(2)將所制備的柵極基片放入電解質溶液中通電進行陽極氧化處理，在柵極表面形成陽極氧化絕緣層；(3)在陽極氧化絕緣層上面通過濺射的方法制備溝道層，通過掩模或光刻的方法圖形化，得到溝道層；(4)在溝道層上面通過濺射的方法制備一層導電薄膜，通過掩模、光刻或者剝起的方法圖形化，同時得到漏極和源極。本發明制備的薄膜晶體管具有制備成本及溫度低、閾值電壓較低以及載流子遷移率較高等優點。
文檔編號H01L29/786GK102623510SQ201210073839
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者蘭林鋒, 彭俊彪, 王磊 申請人:華南理工大學, 廣州新視界光電科技有限公司