薄膜晶体管的有源层结构、有源层的制备方法、薄膜晶体管

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管技术领域，尤其一种涉及薄膜晶体管的有源层结构、有源层的制备方法及薄膜晶体管。

背景技术

在现有技术中，制作TFT(ThinFilmTransistor，薄膜晶体管)存在一种采用非晶IGZO TFT的技术路线，IGZO(indium gallium zinc oxide)为铟镓锌氧化物的缩写，非晶IGZO材料是用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料，IGZO作为TFT有源层载流子迁移率比A-Si高，能实现TFT的快速充放电，IGZO结构比LTPS(低温多晶硅技术(LowTemperature Poly-silicon，简称为LTPS)结构简单，制作成本低，因此IGZO薄膜成为显示器中驱动TFT的有源层是当下热门的趋势。

目前金属氧化物TFT主要有3种器件结构：背沟道刻蚀型(Back Channel Etched，简称为BCE)、刻蚀阻挡型(Etch-Stop Layer，简称为ESL)和顶栅型(TG)，但是现有的IGZO器件存在以下问题：

1.IGZO膜层组分难以实现差异性调节，难以避免BCE型器件中的背沟道刻蚀损伤；

2.TG型器件中存在FS(柔性基底)吸潮带来的背面charge(电荷吸附)影响，从而需要设置LS层(挡光层)。

发明内容

本发明实施方式主要解决的技术问题是减少BCE型器件中的背沟道刻蚀损伤，以及改善TG型器件中柔性基底吸潮的现象，从而取消挡光层，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种薄膜晶体管的有源层结构，包括依次层叠的有源层组和第一功能层，其中，所述有源层组包括至少一个有源层，所述有源层包含铟元素、镓元素以及锌元素的氧化物；所述第一功能层包含铟元素、镓元素以及锌元素的氧化物，所述第一功能层中的所述镓元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例大于所述有源层中的所述镓元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例。

为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的又一个技术方案是：提供一种薄膜晶体管，包含如上所述的有源层结构。

区别于相关技术的情况，本发明实施例提供的薄膜晶体管的有源层结构、有源层的制备方法及薄膜晶体管具有以下效果：

1、通过提高所述镓元素的摩尔比例，能够增加所述第一功能层对刻蚀液的耐受度，可以作为有源层组的保护层，从而提高BCE型器件中有源层结构对刻蚀液的耐受度。

2、所述第一功能层还能够屏蔽柔性基底吸潮带来的背面电荷吸附影响，从而可以替代原有的挡光层，节约成本。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明一实施例的薄膜晶体管的有源层结构的结构示意图；

图2是本发明一实施例的有源层结构应用于背沟道刻蚀型器件的结构示意图；

图3是本发明一实施例的有源层结构应用于顶栅型器件的结构示意图；

图4是本发明一实施例的制备方法的沉淀量与沉淀周期的示意图；

图5是本发明一实施例的有源层结构的输出特性曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互组合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块的划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置示意图中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1所示，本发明实施例的薄膜晶体管的有源层结构100，包括依次层叠的有源层组2和第一功能层3，所述有源层组2用于载流子复合发光，所述第一功能层3作为保护层，用于顶栅型器件200中屏蔽柔性基底吸潮带来的导电沟道电荷吸附影响，以及用于避免背沟道刻蚀型器件300中的背沟道刻蚀损伤。可以理解的是，有源层结构100的层叠顺序可以根据应用于薄膜晶体管的结构和不同层的结构的用途进行调整。

对于上述第一功能层3，所述第一功能层3包含铟元素、镓元素以及锌元素的氧化物，所述第一功能层3中的所述镓元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例大于所述有源层中的所述镓元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例，且所占摩尔比例为0.5～1。通过提高所述镓元素的摩尔比例，能够增加所述第一功能层3对刻蚀液的耐受度，如图2所示，可以作为所述有源层组2的保护层，从而提高背沟道刻蚀型器件300中有源层结构100对刻蚀液的耐受度，且随着镓元素所占的摩尔比例的增加，所述第一功能层3对刻蚀液的耐受度也随之增加。

显而易见，在一些实施例中，所述第一功能层3也可以作为有源层并具有有源层的功能。

现有技术的顶栅型器件200通常设置有挡光层，所述挡光层用于屏蔽柔性基底吸潮带来的电荷吸附影响。对于上述第一功能层3，在所述有源层结构100应用于所述顶栅型器件200时，如图3所示，所述第一功能层3同样能够屏蔽柔性基底吸潮带来的电荷吸附影响，从而替代挡光层，节约成本；而且所述第一功能层3是所述有源层结构100的一部分，因此可以降低所述顶栅型器件200整体的厚度，从而进一步降低显示屏的厚度。

在一些实施例中，所述第一功能层3的膜厚大于所述有源层的膜厚，通过增加膜厚，能够增强对所述有源层组2的保护效果，也能够增强所述第一功能层3屏蔽电荷吸附的效果；所述第一功能层3作为保护层和屏蔽层，膜厚越大，保护效果越好，但是膜厚过大，又带来经济性的降低，因此在一个具体实施例中，所述第一功能层3的膜厚为5～20nm。

在一些实施例中，所述第一功能层3中所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中各自所占的的摩尔比例分别为0～0.1、0.5～1以及0～0.4。

对于上述有源层组2，所述有源层组2包括至少一个有源层，所述有源层组2包含铟元素、镓元素以及锌元素的氧化物。

在一个实施例中，所述有源层组2包括第一有源层21和设置于所述第一有源层背离所述第一功能层3一侧的第二有源层22，所述第一有源层21包含铟元素、镓元素以及锌元素的氧化物，所述第一有源层21中的铟元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例大于其他有源层中的所述铟元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例；所述第一有源层21中的所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素各自所占的摩尔比例分别为0.6～0.9、0～0.1以及0.1～0.4。

在一些实施例中，上述有源层组2和上述第一功能层3的制备方法：使用ALD工艺，将所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素的原子沉积到所述基底或所述有源层上；在原子层沉积生产系统的沉积模式中进行剂量调节，使所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素的摩尔比例不变，并进行重复循环沉淀，从而得到所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素分布均匀的有源层

原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)：是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)：是指在真空条件下采用物理方法将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)；是指高温下利用气相反应析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。应用于耐热物质的涂层，而且应用于高纯度金属的精制、粉末合成、半导体薄膜等。

传统的PVD和CVD方法无法实现原子层级别的调控，相对于ALD方法制备的膜层较为粗糙，均匀性差，且这两种方法制备的渐变式第二功能层1的渐变梯度间隔明显增大，导致渐变效果差，因此ALD方法制备渐变式第二功能层1以及制备有源层具有较大的优势。

在一些实施例中，有源层结构100还包括第二功能层1，第二功能层1，所述第二功能层1包含硅元素、铟元素、镓元素以及锌元素的氧化物，所述第二功能层1设置于所述有源层组2远离所述第一功能层3的一侧。所述薄膜晶体管中的绝缘层采用二氧化硅材料制成，所述有源层组2与所述绝缘层接触界面呈锯齿状贴合，载流子在接触界面处容易散射，并且容易被二氧化硅捕获，导致所述薄膜晶体管稳定性差，而通过增加包含硅元素的第二功能层1，能够显著改善所述有源层组2与薄膜晶体管中绝缘层的接触效果，从而提高所述薄膜晶体管的稳定性；如图3所示，所述第二功能层1还能够作为保护层，保护顶栅型器件200中的所述有源层组2，避免药液刻蚀带来的损伤。

显而易见，在一些实施例中，所述第二功能层1也可以作为有源层并具有有源层的功能。

在一些实施例中，所述第二功能层1中硅元素的含量沿所述有源层结构100的层叠方向逐渐变化；所述第二功能层1中硅元素的含量沿背离所述有源层组2的方向逐渐上升。通过使所述第二功能层1靠近所述有源层组2的一侧硅元素含量降低，并使靠近绝缘层的一侧含量升高，能够减少接触界面硅元素含量的落差，进一步提升界面的接触效果，减少载流子的散射，提高所述薄膜晶体管的稳定性。

在一些实施例中，所述第二功能层1中的所述硅元素的含量为0.1％～5％；所述第二功能层1中所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素各自所占的摩尔比例相等。

如上所述的第二功能层1的制备方法，包括以下步骤：在制备顶栅型器件200时，如图3所示，使用原子层沉积方法将硅元素、铟元素、镓元素以及锌元素的原子沉积到所述有源层上，且随着沉积层厚度的增加，所述硅元素的单次沉积量逐渐增加；或者，在制备背沟道刻蚀型器件300时，如图2所示，使用原子层沉积方法将将硅元素、铟元素、镓元素以及锌元素的原子沉积到薄膜晶体管基板的基底上，且随着沉积层厚度的增加，硅元素的单次沉积量逐渐减少。

请参阅图4所示，上述第二功能层1的制备方法的具体实施过程为：使用ALD工艺，将所述硅元素、所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素的原子沉积到所述基底或所述有源层上；在原子层沉积生产系统的沉积模式中进行剂量调节，使所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素的摩尔比例不变，并进行重复循环沉淀，从而得到所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素分布均匀的所述第二功能层1；但是对于硅元素，在沉积模式)中进行剂量调节，使其沉积量随着重复循环的次数逐步增加，以使所述硅元素的含量在所述第二功能层1上沿自身膜厚方向逐渐变化，实现渐变式第二功能层1的制备。

可以理解的是，有源层结构100中的第一功能层3，有源层组2和第二功能层1可用于其他结构的器件以实现上述功能。本申请并不对有源层结构100的应用对象做限定，具体来说，本申请提供了两种实施例，分别将有源层结构100应用于顶栅型器件200和背沟道刻蚀型器件300的薄膜晶体管中，在其他实施例中，有源层结构100也可以应用于其他结构的薄膜晶体管中。

请参阅图2和图3所示，本发明实施例的薄膜晶体管，包含如上所述的有源层结构100，所述薄膜晶体管包括至少两种器型：其中一种是栅极设置于所述有源层组2远离薄膜晶体管的基底一侧的薄膜晶体管，具有代表性的是顶栅型器件200，对于这种器型的薄膜晶体管，所述有源层结构100的所述第一功能层3设置于所述有源层组2邻近所述薄膜晶体管基底的一侧；另一种是栅极设置于所述有源层组2邻近薄膜晶体管的基底的一侧的薄膜晶体管，具有代表性的是背沟道刻蚀型器件300，对于这种器型的薄膜晶体管，所述有源层结构100的所述第一功能层3设置于所述有源层组2远离所述薄膜晶体管的基底的一侧。

当然，在一些实施例中，所述顶栅型器件200包括基底201、层叠于基底201上的阻挡层202、所述有源层结构100、栅极绝缘层203和栅极电极层204以及依次层叠于所述有源层结构100、所述栅极绝缘层203和所述栅极电极层204的整个表面上的间介质层205，所述间介质层205的材料为氧化硅；所述有源层结构100具有栅极区域、漏极区域和源极区域，所述栅极绝缘层203和所述栅极电极层204位于所述栅极区域，薄膜晶体管基板在所述源极区域具有贯穿所述间介质层直至有源层结构100的源极接触孔和漏极接触孔；所述源极接触孔内和所述漏极接触孔内填充有源/漏极材料层206。

当然，在另一些实施例中，所述背沟道刻蚀型器件300包括基底201、层叠于基底上的栅极电极层204、栅极绝缘层203、所述有源层结构100和间介质层205，所述间介质层205的材料为氧化硅；所述栅极绝缘层203和所述间介质层205之间填充有源/漏极材料层206，且所述源/漏极材料层206位于所述有源层结构100垂直于膜厚方向的两侧；所述有源层结构100具有栅极区域、漏极区域和源极区域，两所述源/漏极材料层206分别与所述漏极区域和源极区域相连接，所述栅极电极层204位于所述栅极区域。

请参阅图5所示，横坐标Vgs表示栅极电压，纵坐标Ids表示源极和漏极形成的回路的电流，Vds表示源极电压，Mobility为迁移率。其中线1为Vds在15V时Ids和Vgs的关系曲线，线2为Vds在0.1V时Ids和Vgs的关系曲线，线3为Vds在0.1V时Vgs和Mobility的关系曲线。图5给出了满足上述有源层结构100的实施例的薄膜晶体管的输出特性曲线图，具体参数如下述表1所示，可以看出当Vgs等于20V时，载流子的迁移率大于50cm

表1.有源层结构中各元素所占的摩尔比例

显示屏是通过对像素(薄膜晶体管)进行充电才能显示画面，一般是以行为单位进行扫描充电，提升载流子的迁移率，能够缩短对单个像素的充电时间，从而能够提高画面的刷新率或者显示屏的分辨率。

提升载流子的迁移率，还能够降低电流驱动的需求，从而缩小GEOA(阵列栅发射驱动器)区域的TFT尺寸，从而能够满足显示屏窄边框(<1.5mm)和高PPI(450)的设计需求。

在一些实施例中，所述第一有源层21的膜厚为3～10nm。

在一些实施例中，所述第二有源层22中的所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素各自所占的摩尔比例分别为0.2～0.5、0.2～0.5以及0.2～0.5。所述第二功能层1中所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素各自所占的摩尔比例相等，所述第一有源层21中的所述铟元素的摩尔比例占比较高，而所述第二有源层22中各元素的摩尔比例占比较为均匀，通过将所述第二有源层22作为过渡层连接所述第一有源层21和所述第二功能层1，能够减小接触面处的所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素的摩尔含量断差，从而增强摩尔含量变化的连续性，增强所述有源层结构100的载流子的迁移稳定性，优化所述有源层结构100的工作特性。

在一些实施例中，所述第二有源层22的膜厚为3～10nm。

本发明的薄膜晶体管的有源层结构100、有源层的制备方法及薄膜晶体管通过设置所述第一功能层3，可以作为有源层组2的保护层，能够提高背沟道刻蚀型器件300中有源层结构100对刻蚀液的耐受度；还能屏蔽柔性基底吸潮带来的背面电荷吸附影响，从而去掉挡光层，节约成本；通过设置所述第二功能层1，能够显著改善所述有源层组2与薄膜晶体管中绝缘层的接触效果，从而提高所述薄膜晶体管的稳定性，还能够作为保护层，保护顶栅型器件200中的所述有源层组2，避免药液刻蚀带来的损伤；通过设置渐变式的所述第二功能层1，能够减少接触界面硅元素含量的落差，进一步提升界面的接触效果，减少载流子的散射，提高所述薄膜晶体管的稳定性；通过设置所述第一有源层21中的所述铟元素在所述铟元素、所述镓元素以及所述锌元素中的摩尔比例为0.6～0.9，使得所述载流子的迁移率大于50cm2/Vs；通过设置所述第二有源层22，能够增强摩尔含量变化的连续性，增强所述有源层结构100的载流子的迁移稳定性，优化所述有源层结构100的工作特性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。