一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法，所述的金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底，呈层状设置在衬底上的栅极、栅绝缘层、金属氧化物半导体层和阻挡层，设置在最外层的钝化层，以及分别与金属氧化物半导体层连接的源极和漏极；含扩散元素绝缘体薄膜层相邻阻挡层设置在与金属氧化物半导体层相反的一侧；所述的扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种。所述制备方法，采用如下方法，将含扩散元素绝缘体薄膜层相邻阻挡层设置在与金属氧化物半导体层相反的一侧，扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种；将氟、氮或氢元素通过热扩散方法，扩散至薄膜晶体管的金属氧化物半导体层中，直至金属氧化物半导体薄膜和栅绝缘层的界面中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属氧化物薄膜晶体管制备领域，具体为一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
薄膜晶体管作为显示器件每个像素有源开关/驱动的核心组成部件，已被广泛应用于有机电致发光显示器和液晶显示器等平板显示器。平板显示器作为人和各类电子产品之间的桥梁，随着现代化工业的发展和人们对生活水平要求的不断提高，下一代显示技术不但要进一步提高显示质量，还将逐步向大面积、高分辨率、薄型化、柔性可卷曲型方向发展。传统的硅基薄膜晶体管已无法满足下一代显示技术。然而，金属氧化物半导体材料具有较高电子迁移率、良好可见光透过率、可在低温甚至室温下制备等优异性能。与传统的硅基薄膜晶体管相比，金属氧化物薄膜晶体管具有宽禁带、高均匀性、高稳定性、高场效应迁移率等优点，利于工业化生产，并且迎合现代化显示技术的发展趋势。近年来，非晶金属氧化物半导体成为薄膜晶体管有源层的研究热点，例如氧化锌，氧化铟，氧化铟锡锌，氧化锌锡和氧化镓锌等。与硅基材料相比，宽禁带非晶金属氧化物半导体材料具有较低缺陷态密度。这使得金属氧化物薄膜晶体管不仅在场效应迁移率、光透过率、均一性等方面优点明显，还具有理想的特征曲线，包括低阈值电压、低关态电流、陡亚阈值摆幅、可忽略的电滞现象和高源漏电流开关比。然而，在制备薄膜晶体管过程中，其结构、各层薄膜的制备条件、光刻技术、刻蚀方法和退火方法等因素都影响金属氧化物半导体禁带中缺陷类型及其态密度和有源层与绝缘层界面电荷陷阱密度，从而影响晶体管的工作特性和稳定性。尽管可以通过优化实验参数提高金属氧化物薄膜晶体管的工作特性和稳定性，但是由于薄膜晶体管在工作过程中受到栅极偏压、光照、温度、气氛环境的影响。对于无阻挡层和钝化层的底栅型薄膜晶体管，若有源层背沟道表面暴露于空气中，薄膜晶体管稳定性易受空气中的氧气和水汽因场致吸收/解吸收效应影响。近年来，国内外研究者采用各种绝缘体材料作为钝化层，例如氧化硅、氮化硅、氧化钛和氧化铝等。薄膜晶体管在实际工作环境中的稳定性，是决定其是否能应用于平板显示器并实现产业化发展的关键问题。由于在开关/驱动液晶显示器和有机电致发光显示器时，薄膜晶体管经常工作在负栅极偏压并暴露于背光或自然光下，同时薄膜晶体管受到基板的热效应作用，尤其在负偏压照光应力和正偏压温度应力条件下，会引起阈值电压漂移。已报道阈值漂移归因于电荷束缚于栅绝缘层、有源层与绝缘层界面、有源层、阻挡层与有源层界面、产生的深受主类型缺陷等几个方面，这是造成薄膜晶体管稳定性劣化的关键因素。纵观各面板商和科研机构的研究工作，为从根本上解决金属氧化物薄膜晶体管稳定性问题，研究者们主要致力于以下两个方面：一方面是通过氧化作用降低氧化物半导体中氧空位缺陷态密度，主要方法是在富氧氛围下对薄膜晶体管退火处理，例如氧气退火处理，氧气等离子体处理等。另一方面是使氧化物半导体中存在的缺陷失活，例如引入新元素与半导体中缺陷形成稳定的化学键，如氢气退火处理，氢气等离子体处理等。现有的技术方法在实施过程中所需的实验条件比较苛刻，有的需要高温高压、非常昂贵的仪器设备或者工艺复杂、均匀性差、可重复性差，难以实现工艺简单、低成本、大面积且高稳定性薄膜晶体管产业化生产。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法，其工艺简单、均匀性好、大面积、重复性好、稳定性高。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种金属氧化物薄膜晶体管，包括衬底，呈层状设置在衬底上的栅极、栅绝缘层、金属氧化物半导体层和阻挡层，设置在最外层的钝化层，以及分别与金属氧化物半导体层连接的源极和漏极；含扩散元素绝缘体薄膜层相邻阻挡层设置在与金属氧化物半导体层相反的一侧；所述的扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种。优选的，源极和漏极设置在钝化层内，下端穿过含扩散元素绝缘体薄膜层和阻挡层分别与金属氧化物半导体层连接；金属氧化物半导体层包裹在栅绝缘层和阻挡层之间。优选的，阻挡层和含扩散元素绝缘体薄膜层包裹在金属氧化物半导体层和钝化层之间；源极和漏极设置在钝化层上，下端穿过钝化层分别与金属氧化物半导体层连接。一种金属氧化物薄膜晶体管制备方法，所述的金属氧化物薄膜晶体管中包括一层含扩散元素绝缘体薄膜层；将含扩散元素绝缘体薄膜层相邻阻挡层设置在与金属氧化物半导体层相反的一侧，所述的扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种；将氟、氮或氢元素通过热扩散方法，扩散至薄膜晶体管的金属氧化物半导体层中，直至金属氧化物半导体薄膜和栅绝缘层的界面中。优选的，所述的热扩散方法是采用快速退火方式对薄膜晶体管进行热处理，退火温度为250-350℃，退火时间为30-180分钟。优选的，含扩散元素绝缘体薄膜层为掺氟氧化硅薄膜层、掺氟氮化硅薄膜层、掺氮氧化硅薄膜层、掺氢氧化硅薄膜层和掺氢氮化硅薄膜层中的任意一种。优选的，含扩散元素绝缘体薄膜层通过磁控溅射法、旋涂法、真空蒸镀法、原子层沉积和非真空化学沉积方法中的任意一种方式制备而成；其厚度控制在10-100nm。优选的，阻挡层厚度控制在50-150nm。优选的，金属氧化物薄膜晶体管结构设置为底栅底接触、底栅顶接触、顶删底接触和顶删顶接触中的任意一种类型。优选的，制备得到的金属氧化物薄膜晶体管，其场效应迁移率大于12cm2V-1s-1，开启电压小于0.5V，亚阈值摆幅小于0.2，可忽略的电滞现象，在20V正偏压应力104s条件下阈值电压漂移小于0.1V，在-20V负偏压460nm的光照应力104s条件下阈值电压漂移小于0.2V。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述制备金属氧化物薄膜晶体管的方法，在250-350℃的热处理环境中在改善氧化物半导体层质量的同时，通过热扩散作用有效地提高薄膜晶体管的稳定性。通过简单的制备方法在薄膜晶体管的阻挡层和钝化层之间沉积一层含氟、氮或氢元素的绝缘体薄膜，既避免了外界环境对此薄膜层的影响，又实现了某种元素在金属氧化物半导体层中的均匀扩散，从而提高了薄膜晶体管的稳定性。此专利技术方法实现的金属氧化物薄膜晶体管具有工艺简单、均匀性好、大面积、重复性好、稳定性高的特点。进一步的，这种方法兼容现有的平板显示工艺技术，适用于工业化生产，提高生产效率。进一步的，能够对薄膜晶体管中不同的金属氧化物半导体层实现热扩散处理，适用范围广，获得理想的高稳定性金属氧化物薄膜晶体管。进一步的，热扩散处理后，可通过打印方法将薄膜晶体管转移到柔性衬底上，实现柔性可卷曲器件。本专利技术所述的金属氧化物薄膜晶体管，通过相邻阻挡层设置在与金属氧化物半导体层相反的一侧的含扩散元素绝缘体薄膜层提高其稳定性；其结构和作用原理如下所述。(1)上述扩散元素可以填充金属氧化物半导体中氧空位位置降低金属氧化物半导体缺陷态密度，实现薄膜晶体管光照稳定性；(2)上述扩散元素置换弱金属氧离子键中的氧，实现薄膜晶体管结构稳定性；(3)上述扩散元素与金属形成强金属-元素离子键，由于金属-元素离子键键能大于金属氧离子键键能，可实现薄膜晶体管热稳定性；(4)上述扩散元素作为浅施主能级增加载流子浓度，实现低电阻率金属氧化物半导体薄膜；(5)上述扩散元素可以置换硅氢键和硅羟基键形成稳定硅-元素键，有效降低金属氧化物半导体薄膜与绝缘层界面的陷阱密度。附图说明图1为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，包括衬底(1)，呈层状设置在衬底(1)上的栅极(2)、栅绝缘层(3)、金属氧化物半导体层(4)和阻挡层(5)，设置在最外层的钝化层(9)，以及分别与金属氧化物半导体层(4)连接的源极(7)和漏极(8)；含扩散元素绝缘体薄膜层(6)相邻阻挡层(5)设置在与金属氧化物半导体层(4)相反的一侧；所述的扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种。

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，包括衬底(1)，呈层状设置在衬底(1)上的栅极(2)、栅绝缘层(3)、金属氧化物半导体层(4)和阻挡层(5)，设置在最外层的钝化层(9)，以及分别与金属氧化物半导体层(4)连接的源极(7)和漏极(8)；含扩散元素绝缘体薄膜层(6)相邻阻挡层(5)设置在与金属氧化物半导体层(4)相反的一侧；所述的扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种。2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，源极(7)和漏极(8)设置在钝化层(9)内，下端穿过含扩散元素绝缘体薄膜层(6)和阻挡层(5)分别与金属氧化物半导体层(4)连接；金属氧化物半导体层(4)包裹在栅绝缘层(3)和阻挡层(5)之间。3.根据权利要求1所述的一种金属氧化物薄膜晶体管，其特征在于，阻挡层(5)和含扩散元素绝缘体薄膜层(6)包裹在金属氧化物半导体层(4)和钝化层(9)之间；源极(7)和漏极(8)设置在钝化层(9)上，下端穿过钝化层(9)分别与金属氧化物半导体层(4)连接。4.一种金属氧化物薄膜晶体管制备方法，其特征在于，所述的金属氧化物薄膜晶体管中包括一层含扩散元素绝缘体薄膜层(6)；将含扩散元素绝缘体薄膜层(6)相邻阻挡层(5)设置在与金属氧化物半导体层(4)相反的一侧，所述的扩散元素为氟、氮和氢元素中的任意一种；将氟、氮或氢元素通过热扩散方法，扩散至薄膜晶体管的金属氧化物半导体层(4)中，直至金属氧化物半导体薄膜(4)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大鹏，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61