一种基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于薄膜晶体管制备技术领域，具体涉及一种基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

非晶氧化物薄膜晶体管，是场效应管的一种特殊类型，这种技术把半导体有源层和介电质以薄膜的形式沉积在制成衬底上。拥有低制备成本、良好的大面积均一性、较高的迁移率、低关态电流、可见光透明等优点，从而使其在显示领域得到广泛的应用。

目前，业内大规模使用的IGZO(InGaZnO)沟道层材料已经难以满足次世代显示面板对于性能的需求，很多科研人员将希望寄予ITZO(InSnZnO)材料。相比于IGZO，ITZO拥有以下优点：(1)Sn4+和In3+有相似的5s电子轨道，从而拓宽了电子传输通道，提升材料的理论迁移率；(2)ITZO且与IGZO有着良好的工艺兼容性，不需要对产线进行大规模修改，降低了TFT乃至显示面板的生产制备成本；(3)高Sn含量的ITZO拥有较为优秀的抗刻蚀能力，因此ITZO TFT(Thin-film transistor)更容易实现背沟道刻蚀(Back-channel-etch，BCE)TFT结构。与IGZO TFT常用的刻蚀阻挡层(Etch-stop-layer，ESL)TFT结构相比，BCE结构至少减少一步光刻流程，简化工艺步骤的同时也能降低制备成本。

使用ITO(InSnO)作为电极制备背沟道刻蚀结构TFT，其关键问题在于ITO的图形化刻蚀，由于ITO直接和沟道接触，器件背沟道刻蚀效果对器件电学性能有着直接的影响。

通过光刻方法，用光刻胶在ITO薄膜表面形成图形化的掩膜。使用湿法刻蚀，通过刻蚀液种类和刻蚀时间来控制刻蚀的深度。刻蚀过程中，有掩膜保护的ITO不与刻蚀液接触；而没有掩膜保护的ITO与刻蚀液直接接触并进行刻蚀，直至刻蚀到ITZO或者热硅层，ITO刻蚀完毕。

其中，要保证ITO纵向刻蚀的速度。时间太久会导致横向刻蚀严重，从而模糊了器件的结构；时间太短则需要用强酸碱，其会和沟道层发生反应从而无法制备电学性能良好的背沟道刻蚀(Back-channel-etch，BCE)TFT结构。

总而言之，在当前的背沟道刻蚀结构薄膜晶体管制备工艺路线中，尚缺乏一种刻蚀方法能够通过刻蚀ITO电极使得薄膜晶体管具有良好电学性能。

发明内容

本发明提供了一种基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管制备方法，通过该方法能够使得背沟道具有较好的粗糙度，进而使得薄膜晶体管具有良好电学性能。

一种基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管制备方法，包括：

(1)获得衬底，在所述衬底表面固定金属掩膜板，然后沉积ITZO薄膜，取下所述金属掩膜板，对沉积的ITZO薄膜进行退火得到图形化ITZO薄膜；

(2)在步骤(1)得到的图形化ITZO薄膜上沉积ITO层，通过光刻技术在所述ITO层上涂覆一层图形化的掩膜，所述掩膜为TFT电极形状；

(3)采用ITO刻蚀液刻蚀步骤(2)得到的带有图形化的ITO层，刻蚀时间为5-60s，刻蚀完成后通过去离子水清洗，采用碱性溶液再次进行刻蚀，刻蚀时间为180-300s，刻蚀完成后再次通过去离子水清洗，然后去除光刻胶、退火得到图形化薄膜晶体管。

所述衬底为具有绝缘层/导电层的双层硬质基底，所述衬底为热氧化硅片或氧化铝片。

在所述衬底表面固定金属掩膜板前，先对衬底进行清洗，所述清洗方法包括采用丙酮、酒精或去离子水进行超声清洗。

步骤(1)中，所述沉积方法为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积或溶液法。

所述ITZO薄膜的厚度为5-100nm。

步骤(1)中，所述退火工艺为：退火温度为100-400℃，退火时间为60-120min。

步骤(2)中，所述沉积方法为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积或溶液法。

步骤(2)中，所述光刻技术为通过正胶或负胶实现图形化的掩膜。

步骤(2)中，所述ITO刻蚀液为酸性溶液，所述酸性溶液为HI溶液或混合酸溶液，所述混合酸溶液为盐酸和硝酸混合溶液，以及硝酸和硫酸混合溶液。

步骤(2)中，所述碱性溶液为NaOH溶液或KOH溶液，所述碱性溶液的浓度为0.2～2mol/L。进一步的，所述NaOH溶液的浓度为0.5～2mol/L，KOH溶液浓度为0.2～1mol/L。其中，碱溶液的浓度和刻蚀时间对背沟道界面特性有重要影响，浓度低时间短的刻蚀工艺无法有效的降低背沟道的粗糙度、减少缺陷，浓度高时间长的刻蚀会对沟道的尺寸产生影响。

步骤(3)中，所述退火工艺为：退火温度为100-400℃，退火时间为60-120min。

步骤(3)中，去除光刻胶的工艺为：依次用丙酮、乙醇和水进行清洗去除光刻胶。

本发明还提供了采用基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管制备方法制备得到的图形化薄膜晶体，所述图形化薄膜晶体的场效应迁移率为20～90cm

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了首先通过ITO刻蚀液，即酸性刻蚀液，刻蚀ITO层，去离子水去除ITO刻蚀液后，通过碱性溶液再次进行刻蚀，从而能够削弱通过酸性刻蚀液刻蚀背沟道表面所形成的波峰，使得背沟道具有较好粗糙度。利用本发明提供的方法降低了背沟道表面由酸性溶液刻蚀带来的相关缺陷态，使沟道的载流子浓度处在合适的范围内，同时减小了粗糙面和缺陷对载流子的散射作用从而提高迁移率，最终使得制备得到的薄膜晶体管具有较好的阈值电压和场效应迁移率。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的背沟道AFM图像；

图2为本发明对比例1制备得到的背沟道AFM图像；

图3为本发明实施例1提供的基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管制备方法流程图；

图4为本发明实施例1制备得到的晶体管的光学显微镜照片；

图5为本发明对比例1制备得到的薄膜晶体管的转移特性曲线图；

图6为本发明实施例1制备得到的薄膜晶体管的转移特性曲线图；

图7是本发明实施例1制备得到的薄膜晶体管的输出特性曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明方法的关键在于两步刻蚀法刻蚀ITO薄膜。在背沟道刻蚀结构中，ITO层直接与沟道层接触，因此ITO的刻蚀过程中刻蚀液无法避免地和沟道层接触并发生反应，背沟道表面状态发生变化，从而对晶体管整体电学特性有很大的影响。本方法在使用ITO刻蚀液刻蚀后，继续使用NaOH溶液刻蚀，实现了较好的界面平整度和良好的晶体管转移特性。

配制刻蚀液：1、采用江苏奥首材料科技有限公司生产的ASK 520型号ITO专用刻蚀液；2、配置浓度为1mol/L的NaOH溶液。

本实施例提供了一种基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管制备方法，如图3所示，包括：

选取并处理衬底：由于热硅片的表面平整度度高，选取表面为100nm二氧化硅的重掺杂的p型硅片作为衬底，并依次利用丙酮、乙醇和水对衬底进行清洗，清洗时间分别为10min、10min、5min。

沟道掩模版的选择：采用金属掩模板沉积沟道，沉积沟道的尺寸为800*600μm。

沉积沟道：采用磁控溅射沉积30nm厚的ITZO层作为晶体管沟道，靶材化学计量比In:Sn:Zn＝4：4：2，采用氩氧混合气作为沉积气氛，氩氧比为12.5：10，沉积功率为直流80W。

沟道退火处理：沟道退火工艺为40min升温至400℃，保温60min，最后随炉冷却至室温。

沉积ITO薄膜：ITO无需采用金属掩模板进行图案化。采用磁控溅射沉积100nm厚的ITO层，靶材化学计量比In:Sn＝9：1，采用氩氧混合气作为沉积气氛，氩氧比为30：1.5，沉积功率为直流65W。

图形化光刻胶：使用AZ5214光刻胶正胶操作、ZX238显影液显影，在ITO层上形成电极图案，电极间距为400μm。

ITO刻蚀：将带有图案化光刻胶的基片进行刻蚀，使用ITO刻蚀液刻蚀20s，接着用去离子水清洗180s，用氮气吹干后继续用1mol/L NaOH溶液刻蚀180s，再次用去离子水清洗180s，最后氮气吹干。

去除光刻胶：依次用丙酮、乙醇和水对衬底进行清洗，清洗时间分别为180s、180s、300s。

器件后退火：器件后退火工艺为30min升温至150℃，保温60min，最后随炉冷却至室温，得到薄膜晶体管，如图4所示。

实施例2

配制刻蚀液：1、采用江苏奥首材料科技有限公司生产的ASK 520型号ITO专用刻蚀液；2、配置浓度为0.5mol/L KOH溶液。

本实施例提供了一种基于背沟道刻蚀结构的图形化薄膜晶体管制备方法，包括：

选取并处理衬底：由于热硅片的表面平整度度高，选取表面为100nm二氧化硅的重掺杂的p型硅片作为衬底，并依次利用丙酮、乙醇和水对衬底进行清洗，清洗时间分别为10min、10min、5min。

沟道掩模版的选择：采用金属掩模板沉积沟道，沉积沟道的尺寸为800*600μm。

沉积沟道：采用磁控溅射沉积30nm厚的ITZO层作为晶体管沟道，靶材化学计量比In:Sn:Zn＝4：4：2，采用氩氧混合气作为沉积气氛，氩氧比为12.5：10，沉积功率为直流80W。

沟道退火处理：沟道退火工艺为40min升温至400℃，保温60min，最后随炉冷却至室温。

沉积ITO薄膜：ITO无需采用金属掩模板进行图案化。采用磁控溅射沉积100nm厚的ITO层，靶材化学计量比In:Sn＝9：1，采用氩氧混合气作为沉积气氛，氩氧比为30：1.5，沉积功率为直流65W。

图形化光刻胶：使用AZ5214光刻胶正胶操作、ZX238显影液显影，在ITO层上形成电极图案，电极间距为400μm。

ITO刻蚀：将带有图案化光刻胶的基片进行刻蚀，使用ITO刻蚀液刻蚀20s，接着用去离子水清洗180s，用氮气吹干后继续用0.5mol/L KOH溶液刻蚀180s，再次用去离子水清洗180s，最后氮气吹干。

去除光刻胶：依次用丙酮、乙醇和水对衬底进行清洗，清洗时间分别为180s、180s、300s。

器件后退火：器件后退火工艺为30min升温至150℃，保温60min，最后随炉冷却至室温，得到薄膜晶体管。所得器件的表面粗糙度为Ra＝0.84nm，场效应迁移率μ

对比例1

与实施1不同的是，只使用ITO刻蚀液刻蚀，未使用NaOH溶液刻蚀。

性能比较：

采用原子力显微镜对背沟道表面形貌进行扫描，扫描尺度为1微米，如图1、图2所示。对比例1制备得到的背沟道的表面粗糙度Ra＝0.52nm，远小于实施例1制备得到的表面粗糙度Ra＝3.19nm，表明使用本发明的两步刻蚀法可以有效提升背沟道界面的平整度。

采用半导体参数仪(Keithley 4200)对该器件进行电学性能测试，转移曲线测试条件为源漏电压I

总体上，在背沟道刻蚀结构中，相比较于只使用ITO刻蚀液进行ITO的刻蚀，使用本发明的两部刻蚀法进行刻蚀的器件拥有更平整的背沟道界面，以及更加优秀的阈值电压、开态电流等晶体管电学特性。