CN102655213A

CN102655213A - 半导体器件结构及其制备方法

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Publication number: CN102655213A
Application number: CN2011100500865A
Authority: CN
Inventors: 商立伟; 姬濯宇; 王艳花; 刘明
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-05

Abstract

本发明公开了一种半导体器件结构及其制备方法。该结构包括绝缘衬底、栅电极、栅介质层、源漏电极、修饰层和有机半导体层。栅电极位于绝缘衬底的上表面，栅介质层位于栅电极的上表面，源漏电极位于栅介质层的上表面，修饰层覆盖栅介质的上表面和源漏电极的上表面，有机半导体层覆盖在修饰层的上表面。该结构的特点在于通过氧化工艺使得金属电极表面生长了一层0.1至5纳米的氧化物薄膜，使得金属电极的表面特性发生转变，变得与栅介质层的表面特性类似，从而可以采用相同的表面改性材料对金属表面和栅介质层表面进行修饰，使得有机半导体薄膜与金属电极和栅介质层之间形成相同的界面，可以有效地改善有机半导体薄膜的生长质量，提高器件的性能。

Description

半导体器件结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种半导体器件结构及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的不断深入，电子产品已经进入人们生活工作的每个环节。在日常生活中人们对低成本、柔性、低重量、便携的电子产品的需求越来越大，传统的基于无机半导体材料的器件和电路难于满足这些要求，因此可以实现这些特性的基于有机聚合物半导体材料的有机微电子技术在这一趋势下得到了人们越来越多的关注。

有机场效应晶体管作为有机电路的基础元器件，其性能对电路的性能起着决定性的作用。其中迁移率决定了器件工作的快慢，进而影响电路的工作频率；电压，包括工作电压和阈值电压，决定了器件以及电路的功耗。

本发明提出了一种新型的半导体器件结构，该结构通过氧化工艺使得金属电极表面生长了一层0.1至5纳米的氧化物薄膜，使得金属电极的表面特性发生转变，变得与栅介质层的表面特性类似，从而可以采用相同的表面改性材料对金属表面和栅介质层表面进行修饰，形成由同一种材料修饰的栅介质表面和源漏电极表面，因此消除了传统结构中有机半导体薄膜由于在栅介质层和源漏电极层两个区域表面性能的突变而造成的薄膜晶体结构突变，形成单一界面的有机场效应晶体管结构，有效地改善有机半导体薄膜的生长质量，提高器件的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种半导体器件结构及其制备方法，以消除传统结构中有机半导体薄膜由于在栅介质层和源漏电极层两个区域表面性能的突变而造成的薄膜晶体结构突变，形成单一界面的有机场效应晶体管结构，有效地改善有机半导体薄膜的生长质量，提高器件的性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种半导体器件结构，包括：

绝缘衬底；

位于该绝缘衬底之上的栅电极；

覆盖于该绝缘衬底及该栅电极之上的栅介质层；

位于该栅介质层之上的源漏电极；

覆盖于该源漏电极上表面及侧面的金属氧化物层；

覆盖于该栅介质层及该金属氧化物层之上的修饰层；以及

覆盖于该修饰层之上的有机半导体层。

上述方案中，所述金属氧化物层是在源漏电极表面通过氧化工艺原位生长的一层0.1至5纳米的氧化物薄膜。

上述方案中，所述绝缘衬底为长有氧化硅或氮化硅薄膜的硅片、绝缘玻璃或绝缘塑料薄膜。

上述方案中，所述栅电极采用金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛或钽制作而成。

上述方案中，所述栅介质层采用氧化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、聚酰亚胺PI、聚乙烯吡硌烷酮PVP、聚甲基丙稀酸甲酯PMMA或聚对二甲苯parylene制作而成。

上述方案中，所述源漏电极采用金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛或钽制作而成。

上述方案中，所述金属氧化物层与所述修饰层采用同一种薄膜材料，该薄膜材料为三氟丙基三氯硅烷、2-苯乙基三氯化硅烷、叔丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅胺。

上述方案中，所述有机半导体层采用并五苯、金属酞菁CuPc、P3HT、噻吩或红荧稀制作而成。

一种制备半导体器件结构的方法，包括：

在绝缘衬底上制备图形化的栅电极；

在栅电极层上沉积栅介质层，该栅介质层覆盖于该绝缘衬底及该栅电极之上；

在栅介质层的上表面制备图形化的源漏电极；

在源漏电极表面原位生长一层氧化物薄膜；

在栅介质层表面和源漏电极的上表面生长一层修饰层薄膜；以及

在经过修饰的样品表面沉积有机半导体薄膜。

上述方案中，所述在绝缘衬底上制备图形化的栅电极的步骤中，栅电极层的制备采用薄膜沉积方法，该薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印或旋涂；其中栅电极的图形化采用光刻加刻蚀，或者光刻加金属剥离工艺。

上述方案中，所述在栅电极层上沉积栅介质层的步骤中，栅介质层通过低压化学气相沉积、溅射、原子层沉积、电子束蒸发、离子辅助沉积或者旋涂技术来制备。

上述方案中，所述在栅介质层的上表面制备图形化的源漏电极的步骤中，源漏电极的制备采用薄膜沉积方法，该薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印或旋涂，源漏电极的图形化采用光刻加刻蚀，或者光刻加金属剥离工艺。

上述方案中，所述在源漏电极表面原位生长一层氧化物薄膜的步骤中，该氧化物薄膜的生长技术包括氧等离子体表面处理和快速热退火。

上述方案中，所述在栅介质层表面和源漏电极的上表面生长一层修饰层薄膜的步骤中，栅介质层表面和源漏电极表面的修饰技术包括液相法和气相法。

上述方案中，所述在经过修饰的样品表面沉积有机半导体薄膜的步骤中，有机半导层薄膜通过真空热蒸发、旋涂、滴涂或喷墨打印工艺来制备。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种半导体器件结构，能够通过改变表面性能形成由同一种材料修饰的栅介质表面和源漏电极表面，消除了传统结构中有机半导体薄膜由于在栅介质层和源漏电极层两个区域表面性能的突变而造成的薄膜晶体结构突变，有效地改善有机半导体薄膜的生长质量，提高器件的性能。

2、本发明提供的这种制备半导体器件的方法，采用先制备所有电极的工艺，有效避免了电极制备过程中对有机功能薄膜损伤，并且能够和现有的微加工技术兼容，能够充分利用现有设备，降低新器件制备的成本。

附图说明

为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图及实施例子，对本发明做详细描述，

图1为本发明提供的半导体器件结构的示意图；

图2-1至图2-6为本发明提供的半导体器件结构的制备流程示意图；

图3为依照本发明实施例的半导体器件结构的示意图；

图4-1至图4-9为对应于图3所示实施例的半导体器件结构的制备工艺示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的半导体器件结构的示意图，该半导体器件结构，包括绝缘衬底、位于该绝缘衬底之上的栅电极、覆盖于该绝缘衬底及该栅电极之上的栅介质层、位于该栅介质层之上的源漏电极、覆盖于该源漏电极上表面及侧面的金属氧化物层、覆盖于该栅介质层及该金属氧化物层之上的修饰层，以及覆盖于该修饰层之上的有机半导体层。其中，金属氧化物层是在源漏电极表面通过氧化工艺原位生长的一层0.1至5纳米的氧化物薄膜。

绝缘衬底101为电极、栅介质和有机半导体薄膜层的支撑部分，衬底应具有较低的表面粗糙度，和一定的防水汽和氧气渗透的能力，包括长有氧化硅、氮化硅等绝缘薄膜的硅片，绝缘玻璃和绝缘塑料薄膜。栅电极102采用金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛或钽制作而成。栅介质103的材料种类包括氧化硅，氮化硅，氧化锆，氧化铝，氧化钽、氧化铪，聚酰亚胺(PI)、聚乙烯吡硌烷酮(PVP)、聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)和聚对二甲苯(parylene)。源漏电极104采用金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛或钽制作而成。金属氧化物层105与修饰层106采用同一种薄膜材料，该薄膜材料为三氟丙基三氯硅烷、2-苯乙基三氯化硅烷、叔丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅胺。有机半导体层107采用并五苯、金属酞菁CuPc、P3HT、噻吩或红荧稀制作而成。

同时，本发明还提供一种的半导体器件结构的制备方法，该方法包括：

如附图2-1所示，在绝缘衬底201上制备图形化的栅电极202。栅电极层的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印、旋涂。其中金属电极的图形化采用先沉积薄膜，再光刻、刻蚀形成电极图形的工艺，或者采用先光刻形成对应的光刻胶图形，然后沉积金属薄膜，再通过金属剥离去除多余金属薄膜的工艺。

如附图2-2所示，在栅电极层202上表面沉积栅介质层203，覆盖整个样品表面。栅介质层薄膜通过低压化学气相沉积、溅射、原子层沉积、电子束蒸发、离子辅助沉积、或者旋涂技术来制备。

如附图2-3所示，在栅介质层203的上表面制备图形化的源漏电极204。源、漏电极层的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印、旋涂。其中金属电极的图形化采用先沉积薄膜，再光刻、刻蚀形成电极图形的工艺，或者采用先光刻形成对应的光刻胶图形，然后沉积金属薄膜，再通过金属剥离去除多余金属薄膜的工艺。

如附图2-4所示，通过氧化技术使得源漏电极204表面生长一层金属氧化物薄膜205。源漏电极层表面的氧化物薄膜生长技术包括氧等离子体表面处理、快速热退火。

如附图2-5所示，采用化学修饰技术在栅介质层203和金属氧化物层205的上表面生长一层修饰层薄膜206。栅介质层表面和源漏电极表面的修饰技术包括液相法和气相法。液相法通过把样品浸没到含有修饰材料的溶液中一段时间，修饰材料通过自组装生长即可在样品表面形成一层极薄的薄膜。气相法通过把样品放置在修饰材料的气氛中一段时间，修饰材料通过自组装生长即可在样品表面形成一层极薄的薄膜。

如附图2-6所示，在经过修饰的样品表面沉积有机半导体薄膜207，完成器件的制备。有机半导层薄膜通过真空热蒸发、旋涂、滴涂、喷墨打印工艺来制备。

实施例

如图3所示，图3为依照本发明实施例的半导体器件结构的示意图，该结构包括绝缘衬底101、栅电极102、栅介质层103、源漏电极104、金属氧化物层105、修饰层106和半导体层107。绝缘衬底为生长了300nm氧化硅薄膜的硅片，栅电极为50nm厚的铝金属薄膜，栅介质为100nm厚的氧化铝薄膜，源、漏电极为50nm的铝薄膜，修饰层为单分子层的十八烷基三氯硅烷，有机半导体为50nm的并五苯薄膜。其中栅电极102位于绝缘衬底101的上表面，栅介质103层位于栅电极102的上表面，源漏电极104位于栅介质层103的上表面，金属氧化物层105覆盖源漏电极104的上表面和侧面，修饰层106覆盖栅介质103的上表面和源漏电极104的上表面及侧面，有机半导体层107覆盖在修饰层106的上表面。

如图4-1所示，在300nm的氧化硅绝缘衬底401上旋涂2微米的正性光刻胶薄膜，然后曝光，显影，制备出栅电极的光刻胶图形层402。

如图4-2所示，在样品表面通过电子束蒸发沉积50nm厚的铝金属薄膜403。

如图4-3所示，把样品放入丙酮溶液中，光刻胶溶解的同时把胶薄膜表面的金属薄膜从样品表面剥离，留下沉积到没有光刻胶区域金属薄膜，形成图形化的栅电极404。

如图4-4所示，在图形化的金属铝栅电极层404表面上通过原子层沉积制备100nm的氧化铝薄膜作为栅介质层405。

如图4-5所示，在制备好的栅介质层405的样品表面涂覆2微米的光刻胶薄膜，然后采用光刻技术制备出源、漏电极对应的光刻胶图形薄膜406。

如图4-6所示，在样品表面通过电子束蒸发沉积50nm的铝薄膜，再把样品整个浸泡在丙酮溶液中，把光刻胶溶解，同时把光刻胶表面的金属去除，留下在栅介质层上图形化的铝薄膜作为源、漏电极407。

如图4-7所示，在制备好了源、漏电极407的样品表面通过氧等离子体处理生成一层1纳米厚的氧化铝薄膜408。

如图4-8所示，在样品表面通过气相修饰法在金属电极的氧化铝薄膜和栅介质的氧化铝薄膜表面上生长一层十八烷基三氯硅烷单分子层修饰薄膜409。

如图4-9所示，采用真空热沉积技术在样品表面上生长一层50纳米的并五苯有机半导体薄膜410，完成器件的制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体器件结构，其特征在于，包括：

绝缘衬底；

位于该绝缘衬底之上的栅电极；

覆盖于该绝缘衬底及该栅电极之上的栅介质层；

位于该栅介质层之上的源漏电极；

覆盖于该源漏电极上表面及侧面的金属氧化物层；

覆盖于该栅介质层及该金属氧化物层之上的修饰层；以及

覆盖于该修饰层之上的有机半导体层。

2.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述金属氧化物层是在源漏电极表面通过氧化工艺原位生长的一层0.1至5纳米的氧化物薄膜。

3.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述绝缘衬底为长有氧化硅或氮化硅薄膜的硅片、绝缘玻璃或绝缘塑料薄膜。

4.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述栅电极采用金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛或钽制作而成。

5.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述栅介质层采用氧化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、聚酰亚胺PI、聚乙烯吡硌烷酮PVP、聚甲基丙稀酸甲酯PMMA或聚对二甲苯parylene制作而成。

6.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述源漏电极采用金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛或钽制作而成。

7.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述金属氧化物层与所述修饰层采用同一种薄膜材料，该薄膜材料为三氟丙基三氯硅烷、2-苯乙基三氯化硅烷、叔丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅胺。

8.根据权利要求1所述的半导体器件结构，其特征在于，所述有机半导体层采用并五苯、金属酞菁CuPc、P3HT、噻吩或红荧稀制作而成。

9.一种制备半导体器件结构的方法，其特征在于，包括：

在绝缘衬底上制备图形化的栅电极；

在栅介质层的上表面制备图形化的源漏电极；

在源漏电极表面原位生长一层氧化物薄膜；

在经过修饰的样品表面沉积有机半导体薄膜。

10.根据权利要求9所述的制备半导体器件结构的方法，其特征在于，所述在绝缘衬底上制备图形化的栅电极的步骤中，栅电极层的制备采用薄膜沉积方法，该薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印或旋涂；其中栅电极的图形化采用光刻加刻蚀，或者光刻加金属剥离工艺。

11.根据权利要求9所述的制备半导体器件结构的方法，其特征在于，所述在栅电极层上沉积栅介质层的步骤中，栅介质层通过低压化学气相沉积、溅射、原子层沉积、电子束蒸发、离子辅助沉积或者旋涂技术来制备。

12.根据权利要求9所述的制备半导体器件结构的方法，其特征在于，所述在栅介质层的上表面制备图形化的源漏电极的步骤中，源漏电极的制备采用薄膜沉积方法，该薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印或旋涂，源漏电极的图形化采用光刻加刻蚀，或者光刻加金属剥离工艺。

13.根据权利要求9所述的制备半导体器件结构的方法，其特征在于，所述在源漏电极表面原位生长一层氧化物薄膜的步骤中，该氧化物薄膜的生长技术包括氧等离子体表面处理和快速热退火。

14.根据权利要求9所述的制备半导体器件结构的方法，其特征在于，所述在栅介质层表面和源漏电极的上表面生长一层修饰层薄膜的步骤中，栅介质层表面和源漏电极表面的修饰技术包括液相法和气相法。

15.根据权利要求9所述的制备半导体器件结构的方法，其特征在于，所述在经过修饰的样品表面沉积有机半导体薄膜的步骤中，有机半导层薄膜通过真空热蒸发、旋涂、滴涂或喷墨打印工艺来制备。