薄膜晶體管及其制備方法與流程

本發明涉及顯示
技術領域：
，尤其是涉及一種薄膜晶體管及其制備方法。
背景技術：
：近年來，在平板顯示尤其是在有機電致發光顯示(OLED)領域，基于氧化物半導體的薄膜晶體管越來越受到重視。基于氧化物半導體的薄膜晶體管具有載流子遷移率較高(1cm2V-1s-1～100cm2V-1s-1)、制備溫度低、對可見光透明等優點。這類氧化物主要是氧化鋅(ZnO)摻雜體系，以氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)等為代表。IZO和IGZO這類材料存在共同的問題是其中的銦元素在地殼中含量稀少，價格昂貴，增加了成本；而且這類材料均對空氣中的水、氧比較敏感，空氣中的水、氧在背溝道處的吸附與解吸附效應會嚴重導致器件不穩定。技術實現要素：基于此，本發明在于克服現有技術的缺陷，提供一種薄膜晶體管及其制備方法，其可有效降低制作成本，提升薄膜晶體管器件的穩定性。其技術方案如下：一種薄膜晶體管的制作方法，包括以下步驟：在基板制作第一導電薄膜，并對所述第一導電薄膜圖形化處理制備柵極；在基板上制作電介質薄膜，并對所述電介質薄膜圖形化處理制備柵極絕緣層；在基板上制作LaBX薄膜，并對所述LaBX薄膜圖形化處理制備有源層，其中x的取值范圍為：1.5≤x≤5.5；在基板上制作第二導電薄膜，并對所述第二導電薄膜圖形化處理制備源極和漏極。在其中一個實施例中，在基板上制作LaBX薄膜的步驟具體為：采用物理氣相沉積方法在基板上制備所述有源層，通過改變物理氣相沉積方法中的工作氣壓來調節x的數值。在其中一個實施例中，所述物理氣相沉積方法中的工作氣壓為0.25pa～5pa。在其中一個實施例中，所述工作氣壓為1pa～2.5pa。在其中一個實施例中，所述LaBX薄膜的遷移率為1cm2V-1s-1～100cm2V-1s-1。在其中一個實施例中，所述物理氣相沉積方法為磁控濺射、脈沖激光沉積或原子層沉積。本技術方案還提供了一種薄膜晶體管，其特征在于，包括基板、柵極、柵極絕緣層、有源層、源極和漏極，所述有源層為LaBX薄膜，其中x的取值范圍為：1.5≤x≤5.5。在其中一個實施例中，所述x的取值范圍為：2.3≤x≤4.2。在其中一個實施例中，所述有源層的厚度為20nm～100nm。下面對前述技術方案的優點或原理進行說明：本發明提供一種薄膜晶體管及其制備方法，其有源層為LaBX薄膜，由地殼中含量較為豐富的元素La(鑭)和B(硼)組成。由于La的地殼豐度(39)遠高于In(銦)、Ga(鎵)等的地殼豐度(銦：0.25，鎵：19)，其原材料價格低廉，極大地降低了材料成本。并且LaBX具有高熔點、耐離子轟擊、抗氧化、導熱、導電、化學穩定性極好的優點。因此，基于該材料作為有源層的薄膜晶體管具有穩定性好、成本低廉的優點，有應用于工業生產的潛力。此外，本發明還創新地探索了LaBX中的x的取值，通過優化x取值，從而保證薄膜晶體管具有明顯的半導體特性又可保證具有較高的載流子遷移率。附圖說明圖1為本發明實施例所述的底柵頂接觸結構的薄膜晶體管的結構示意圖；圖2為本發明實施例所述的底柵底接觸結構的薄膜晶體管的結構示意圖；圖3為本發明實施例所述的頂柵頂接觸結構的薄膜晶體管的結構示意圖；圖4為本發明實施例所述的頂柵底接觸結構的薄膜晶體管的結構示意圖；圖5為本發明實施例所述的薄膜晶體管的制備方法的流程圖；圖6為本發明實施例一所述的薄膜晶體管的轉移特性曲線圖；圖7為本發明實施例二所述的薄膜晶體管的轉移特性曲線圖；圖8為本發明對照例一所述的薄膜晶體管的轉移特性曲線圖；圖9為本發明對照例二所述的薄膜晶體管的轉移特性曲線圖。附圖標記說明：10、基板，20、柵極，30、柵極絕緣層，40、有源層，51、源極，52、漏極。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施方式，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本發明，并不限定本發明的保護范圍。本發明所述的薄膜晶體管包括基板10、柵極20、柵極絕緣層30、有源層40、源極51和漏極52。本實施例所述有源層40材料為硼化鑭(LaBX)。其中LaBX并不完全按化學計量匹配，所述的x的取值范圍為1.5≤x≤5.5。所述基板10可以為玻璃、塑料或表面被氧化的硅片等。所述柵極20為導電材料，如金屬、金屬合金或導電金屬氧化物ITO(In2O3-SnO2)等，還可以是兩層以上的導電材料，如Mo/Al/Mo等，厚度為50nm～1000nm。所述柵極絕緣層30可以為電介質材料如SiO2、SiNx、Si-O-N、Al2O3、Ta2O5、Y2O3或HfO2中的一層或多層，厚度為10nm～1000nm。所述源極51以及漏極52為導電材料，如金屬、金屬合金或導電金屬氧化物等，還可以是兩層以上的導電材料，如Mo/Al/Mo等，厚度為50nm～1000nm。圖1至圖4顯示了含有上述LaBX材料作為有源層40的薄膜晶體管的截面結構圖。其中，圖1示出的是底柵頂接觸結構，圖2示出的是底柵底接觸結構，圖3示出的是頂柵頂接觸結構，圖4示出的頂柵底接觸結構。如圖1所示，一個底柵頂接觸結構的薄膜晶體管，包括:基板10,柵極20位于基板10之上，柵極絕緣層30覆蓋于柵極20之上，有源層40覆蓋在絕緣層30之上，源極51和漏極52分別部分覆蓋在有源層40的上表面的兩端，并相互間隔布置。本發明也可根據實際需要在有源層40上表面位于源極51和漏極52之間的部分設置刻蝕阻擋層或鈍化層等。如圖2所示，一個底柵底接觸結構的薄膜晶體管，包括：基板10，柵極20位于基板10之上，柵極絕緣層30覆蓋于柵極20之上，源極51和漏極52制備在柵極絕緣層30之上并相互間隔，有源層40覆蓋在源極51和漏極52以及源極51和漏極52之間的絕緣層30的表面之上。本發明還可根據實際需要在有源層40上表面設置刻蝕阻擋層或鈍化層等。如圖3所示，一個頂柵頂接觸結構的薄膜晶體管，包括基板10,有源層40位于基板10之上，源極51和漏極52分別部分覆蓋在有源層40的上表面的兩端，并相互間隔，柵極絕緣層30覆蓋在源極51和漏極52以及源極51和漏極52之間的有源層40的表面之上，柵極20覆蓋在絕緣層30之上。如圖4所示，一個頂柵底接觸結構的薄膜晶體管，包括基板10，源極51和漏極52制備在基板10之上并相互間隔，有源層40覆蓋在源極51和漏極52以及源極51和漏極52之間的基板10的表面之上，柵極絕緣層30覆蓋有源層40之上，柵極20覆蓋在柵極絕緣層30之上。下面以底柵頂接觸結構的薄膜晶體管為例對其制備方法進行說明，請參閱圖1和圖5。S10、在基板10上通過磁控濺射的方法制作第一導電薄膜(Al-Nd薄膜)，并對所述第一導電薄膜進行圖形化處理獲得柵極20。具體地，先在基板10上通過磁控濺射的方法制造一層厚度為300nm的Al-Nd薄膜，并通過光刻的方法進行圖形化，得到柵極20。本發明也可采用真空蒸鍍或溶液加工(旋涂甩膜法、噴墨打印法以及絲網印刷法等)等方法制備柵極20。S20、在基板10上通過陽極氧化的方法制作電介質薄膜(Nd:Al2O3薄膜)，并通過遮擋掩膜或光刻的方法圖形化處理電介質薄膜，獲得柵極絕緣層30。具體地，將上述制備好柵極20的基板10置于電解液中作為陽極，采用金屬Pt作為陰極，進行陽極氧化制備Nd:Al2O3柵極絕緣層30，厚度為200nm。陽極氧化方法無需大型設備，并且可在室溫下進行，制作簡易。此外，因為氧化層中含有氧化鋁，其介電常數較高，所以基于這種單一氧化絕緣層30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。本發明也可根據實際需要選擇熱氧化法、物理氣相沉積法或化學氣相沉積法制備柵極絕緣層30。S30、在基板10上通過磁控濺射的方法制作LaBX薄膜，并對所述LaBX薄膜圖形化處理制備有源層40。具體地：將LaB6靶材裝在濺射腔內靶位上進行磁控濺射沉積獲得20nm～100nm的LaBX薄膜，制備的過程中利用摭擋掩模的方法進行圖形化，制備LaBX有源層40。由于不同的工作氣壓對x取值有較大影響，具體地：由于La(138.9)和B(10.81)的原子質量相差較大，在物理氣相沉積的過程中，B原子在脫離靶材飛向基板的過程中容易受到氣體分子或離子的碰撞而改變運動方向，而La原子由于原子質量較大，氣體分子或離子的碰撞對其運動軌跡的影響較小。當工作氣壓較小時，由于腔體內氣體分子或離子總量少，與B原子發生碰撞的幾率減小，因此，大多數B原子能到達基板，因而LaBX中x值較大；而工作氣壓較大時，由于腔體內氣體分子或離子總量多，與B原子發生碰撞的幾率大大增加，很大一部分B原子的運動方向會由于碰撞而發生改變，導致到達基板的B原子數量較小，因而LaBX中x值較小。現就不同工作氣壓所對應的x取值大小進行試驗探究：薄膜制備過程中的工作氣壓分別為0.05Pa、0.25Pa、0.5Pa、1Pa、2.5Pa、5Pa及6Pa。表1中列出了不同工作氣壓下制備的LaBX薄膜中x的取值。x值采用EDS(EnergyDispersiveSpectrometer)微區分析的方法測得。表1不同工作氣壓下制備的LaBX薄膜中x的取值工作氣壓/Pa0.050.250.512.556x(B/La)65.54.23.62.31.51由上可知，工作氣壓較小時，x較大，當工作氣壓小到一定程度時，x＝6。因而可通過改變工作氣壓來調節x的數值，進而調節LaBX薄膜Hall遷移率，Hall遷移率的調節范圍為1cm2V-1s-1～100cm2V-1s-1。本實施例所述LaBX薄膜制備時的工作氣壓選擇為0.25pa～5pa，優選為1pa～2.5pa；x取值范圍對應為1.5≤x≤5.5，優選為2.3≤x≤4.2，更進一步優選為3.6。需要注意的是，本發明也可采用脈沖激光沉積或原子層沉積等其他物理氣相沉積的方法制備有源層40。S40、在基板10上通過磁控濺射的方法制作第二導電薄膜(ITO薄膜)，并通過圖形化處理第二導電薄膜獲得源極51和漏極52。所述ITO(IndiumTinOxides)薄膜厚度為200nm，采用剝離(lift-off)的方法圖形化，同時得到源極51和漏極52，即完成薄膜晶體管器件的制備。需要說明的是，本文所述“在基板10上制作有源層40”、“在基板10上制作柵極20”等此類表述，均表示為有源層40以及柵極20等功能層均是以基板10為襯底制作而成，功能層可以是直接與基板10接觸，也可以是通過居中的功能層設于基板10之上。此外，本發明對上述步驟S10至S40的先后順序不做限定。例如當薄膜晶體管為如圖1所示的底柵頂接觸結構時，則按照S10-S20-S30-S40的先后順序制作；當薄膜晶體管為如圖2所示的底柵底接觸結構時，則按照S10-S20-S40-S30的先后順序制作。當薄膜晶體管為如圖3所示的頂柵頂接觸結構時，則按照S30-S40-S20-S10的先后順序制作。當薄膜晶體管為如圖4所示的頂柵底接觸結構時，則按照S40-S30-S20-S10的先后順序制作。由于不同的工作氣壓下制備的LaBX薄膜具備不同的x值，進而影響LaBX薄膜電學性質，最終影響薄膜晶體管的器件特性。下面對不同工作氣壓對薄膜晶體管的轉移特性曲線進行說明。需要說明的是，實施例一和實施例二中的薄膜晶體管均是采用上述制備方法制備而成，優選采用同一種器件結構，如底柵頂接觸結構或其他結構。實施例一本實施例為一優選實施例，其LaBX薄膜沉積過程中的工作氣壓為2.5Pa(x＝2.3)，薄膜厚度為40nm。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試。圖6所示為本實施例制備的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極52電流與柵極20電壓之間的關系。曲線的測試條件為：源極51電壓(VS)為0V，漏極52電壓(VD)恒定為20V，柵極20電壓(VG)從-20V到20V掃描，測試漏極52電流(ID)。從圖中可以看出，基于LaBX薄膜為有源層的薄膜晶體管閾值電壓較負，但具有明顯的開關性能。這表明本實施例中所制備的LaBX薄膜具有半導體屬性，柵極20能較好地控制LaBX有緣層中的載流子，基于LaBX薄膜為有源層的TFT具有明顯的場效應。說明：這里所提到的閾值電壓是指在漏極52電流的對數相對于柵極20電流的曲線中，漏極52電流剛開始大幅上升時對應的柵極20電壓的值，本說明書中所有提到的“閾值電壓”都使用此定義。實施例二本實施例為另一優選實施例，其LaBX薄膜沉積過程的工作氣壓為1Pa(x＝3.6)，薄膜厚度為40nm。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試。圖7是本實施例中制備的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極52電流與柵極20電壓之間的關系。曲線的測試條件為：源極51電壓(VS)為0V，漏極52電壓(VD)恒定為20V，柵極20電壓(VG)從-20V到20V掃描，測試漏極52電流(ID)。從圖中可以看出，基于LaBX薄膜為有源層的薄膜晶體管表現出明顯的轉移特性曲線，且器件的閾值電壓在0V附近，器件狀態為“常關”狀態。同實施例一相比，本實施例中TFT閾值電壓正向移動，這說明，濺射過程中的工作氣壓能有效調節LaBX薄膜的載流子濃度，也意味著LaBX薄膜中x的取值與濺射過程中的工作氣壓有關。對照例一對照例一與實施例一和實施例二的制作方法基本相同，所不同的是：LaBX薄膜沉積過程的工作氣壓為6Pa(x＝1)，薄膜厚度為40nm。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試。圖8是本對照例中制備的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極52電流與柵極20電壓之間的關系。曲線的測試條件為：源極51電壓(VS)為0V，漏極52電壓(VD)恒定為20V，柵極20電壓(VG)從-20V到20V掃描，測試漏極52電流(ID)。從圖中可以看出，基于LaBX薄膜為有源層的薄膜晶體管盡管仍具有明顯的場效應特性，但其開態電流較小，亞閾陡度(定義為：使log(ID)上升一個數量級時所需要的柵壓增量ΔVG)很大，這表明該條件下制備的LaBx薄膜內部缺陷數量明顯增大，載流子數量顯著下降。這也意味著LaBX制備過程的工作氣壓超出一定范圍時薄膜缺陷明顯增多，電阻顯著增大，朝著類絕緣的性能發生轉變。對照例二對照例一與實施例一和實施例二的制作方法基本相同，所不同的是：LaBX薄膜沉積過程的工作氣壓為0.05Pa(x＝6)，薄膜厚度為40nm。所制備的薄膜晶體管器件性能在空氣中測試。圖9是本對照例中制備的薄膜晶體管測得的轉移特性曲線，即漏極52電流與柵極20電壓之間的關系。曲線的測試條件為：源極51電壓(VS)為0V，漏極52電壓(VD)恒定為20V，柵極20電壓(VG)從-20V到20V掃描，測試漏極52電流(ID)。從圖中可以看出，基于LaBX薄膜為有源層的薄膜晶體管表現出導體性質，不具備開關性能。這說明工作氣壓小到一定程度時，LaBX薄膜中B原子數量增加，La-B鍵增多，結構相對規整，表現出明顯的導體特性。通過將實施例一、實施例二與對照例一、對照例二進行比對可知，當x取值較小(x＝1)時，LaBX薄膜呈類絕緣性質，其內斷鍵、缺陷較多，薄膜結構發生畸變，導致載流子濃度過低，呈現類絕緣性質；當x取值較大(x＝6)時，LaBX薄膜呈現導體性質，使得源極51和漏極52導通，導致薄膜晶體管呈現類電阻狀態，不具備開關特性。僅當x取值為1.5≤x≤5.5時，其呈現半導體特性，載流子濃度適中，最終獲得遷移率較高同時開關比又較大的薄膜晶體管。綜上所述，本發明打破常規，創造性地開辟了一個新的半導體材料體系，即LaBX薄膜。通過調節LaBX薄膜制備過程中的工作氣壓將LaBX薄膜從導體范疇調節至半導體范疇，進而將其用作薄膜晶體管的有源層40，拓寬了已有的半導體材料體系，提供了一種新的思路。本發明中所用到的半導體材料LaBX薄膜價格低廉，相比于氧化鋅基摻雜體系材料極大地降低了材料成本。此外，基于LaBX薄膜的薄膜晶體管在常溫下表現出較好的電學特性曲線，無需經過退火處理。因而，LaBX薄膜基薄膜晶體管從材料本身以及制備工藝上大幅降低了成本。以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3