CN107634054A - 柔性衬底上硅纳米膜转数字逻辑反相器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性数字电路设计与新型工艺制备领域，为设计并制备一种基于柔性PET衬底的数字反相器，采用磁控溅射的低温工艺，以及与传统CMOS工艺相兼容的新型柔性电子设计生产工艺，在柔性衬底上制备基本的数字电路反相器。此外，还实现降低生产成本。本发明，柔性衬底上硅纳米膜转数字逻辑反相器及其制作方法，由PET柔性基底、转移硅纳米膜、转移硅纳米膜上集成的PMOS管与NMOS管以及射频电感互联组成，位于顶部的PMOS管的漏极连接高电位，底部NMOS管源极连接低电位，以两个MOS管的共有栅极作为电路的输入端，PMOS管的源极作为电路的输出端。本发明主要应用于柔性数字电路设计制造场合。
Description
技术领域
本发明属于柔性数字电路设计与新型工艺制备领域，涉及到一种聚对苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate(PET)塑料衬底的数字逻辑电路反相器的设计以及制备工艺，具体讲,涉及柔性衬底上的基于硅纳米膜转移技术的数字逻辑反相器。
背景技术
柔性电子是将有机、无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子科技，在信息、能源、医疗、国防等领域都具有广泛应用。如印刷射频身份识别(RFID)、电子用表面粘贴、有机发光二极管屏幕(OLED)、柔性电子显示器等。本发明采用一种新型工艺，通过Advanced Design system(ADS)仿真软件得到柔性数字反相器的关键参数设计，随后绘制掩膜版采用新型柔性电子制备工艺，通过硅纳米膜转移技术在柔性衬底上制备基本的数字逻辑电路组成单元——反相器，将来有望在可穿戴电子，大规模柔性集成电路等方面取得广泛应用。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在设计并制备一种基于柔性PET衬底的数字反相器，采用磁控溅射的低温工艺，以及与传统CMOS工艺相兼容的新型柔性电子设计生产工艺，在柔性衬底上制备基本的数字电路反相器。此外，还实现降低生产成本，使得柔性反相器在大规模集成电路中的应用提供可能。本发明采用的技术方案是，柔性衬底上硅纳米膜转数字逻辑反相器，由PET柔性基底、转移硅纳米膜、转移硅纳米膜上集成的PMOS管与NMOS管以及射频电感互联组成，位于顶部的PMOS管的漏极连接高电位，底部NMOS管源极连接低电位，以两个MOS管的共有栅极作为电路的输入端，PMOS管的源极作为电路的输出端，当输入电压为高电平时，NMOS管打开，PMOS管截止，输出为NMOS管底部连接的低电位，当输入电压为低电平时，PMOS管打开，NMOS管截止，输出电压为PMOS管相连的高电平，从而实现数字电路输入与输出电压之间的高低电平转换。
柔性衬底上硅纳米膜转数字逻辑反相器制作方法，步骤如下：
a、设计出逻辑反相器的基本原理图，采用PMOS管和NMOS管的互连设计，两个MOS管的栅极端最为输入端，PMOS管的漏区作为反相器的高电平端，源极作为反相器的输出端，在输出端接入电感作为滤波耦合电感，完成连线与设计，初始化MOS管的基本长宽参数；
b、添加优化控件，设置反相器的优化参数，对输入输出电压参数进行优化，对器件进行工作约束；
c、以器件的宽长比作为优化参数，进行仿真，得到的输入输出曲线与与目标设定进行对比，多次优化以后得到最优结果，确定两个MOS管的最佳宽长比；
d、根据得到的电路结构参数绘制掩膜版，分别制作处N阱区，P阱区，离子注入区，孔层区，顶部金属层以及柔性电感金属区；
e、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗绝缘体上硅材料SOI，随后在完成磁控溅射的衬底上进行匀胶，1813正性光刻胶，匀胶速率为4K转速，30s时间，115°，3分钟前烘,进行光刻工艺，形成N阱区，进行离子注入，随后在退火炉中进行850°，30min的高温热退火工艺；
f、将退火后的SOI进行光刻工艺，形成N阱区内的离子注入区，完成离子注入，形成PMOS管掺杂区的设计；
g、对SOI进行对准光刻，完成NOS管掺杂区的图案，随后进行离子注入形成NMOS管并对SOI进行高温热退火；
h、匀胶光刻形成顶层50um乘以50um的孔层结构，随后反应离子刻蚀系统RIE中采用反应离子刻蚀的技术将顶层硅进行刻蚀；
i、将SOI放入氢氟酸HF中，HF通过顶层刻蚀的硅孔结构将SOI中间的二氧化硅埋氧层进行刻蚀，只留下顶层硅纳米膜以及底层硅衬底结构；
j、随后，采用二甲基硅油PDMS转移的方式将SOI顶层纳米膜转移到柔性PET衬底上，进行光刻，以及磁控溅射形成二氧化硅介质层；
k、最后，进行光刻工艺，形成栅极以及源漏区的金属层，最后采用金属蒸发的工艺形成500nm厚的金电极金属层，去胶以后完成柔性反相器的制备。
本发明的特点及有益效果是：
本发明能够实现数字电路输入与输出电压之间的高低电平转换，构成反相器的基本工作原理，而在柔性PET衬底上制备的反相器则可以实现多个弯曲态下的正常工作，对于智能穿戴设计，人工电子皮肤等等研究具有重要的研究意义。
附图说明：
附图1为柔性数字逻辑反相器的平面结构图，附图2为反相器的工作原理图以及附图3反相器的俯视结构图。
对附图1说明：1PET柔性衬底 2硅纳米膜 3PMOS管漏极 4PMOS漏极P型掺杂区 5二氧化硅 6PMOS管栅极 7PMOS管源极P型掺杂区 8反相器输出端 9NMOS管漏极N型掺杂区10NMOS管栅极 11二氧化硅 12NMOS管源极N型掺杂区 13NMOS管源极 14N型轻掺杂区 15P型轻掺杂区。
附图2为电路结构图。具体说明：1反相器输入端 2NMOS管 3反相器输出端 4PMOS管 5高电平。
附图3为工艺流程示意图。具体说明：1PET柔性衬底 2硅纳米膜 3PMOS管漏极4PMOS漏极P型掺杂区 5反相器输入端 6NMOS管漏极N型掺杂区 7NMOS管漏极 8PMOS管源极P型掺杂区 9反相器输出端 10NMOS管漏极N型掺杂区
具体实施方式
本发明以柔性衬底上的硅纳米膜转移技术与逻辑反相器的制备与工艺为基础，介绍了一种全新的柔性数字逻辑电路基本组成单元反相器的设计与制备工艺，此柔性数字逻辑反相器主要由聚对苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate(PET)柔性基底、转移硅纳米膜、硅纳米膜上集成的PMOS管与NMOS管以及射频电感互联组成。本文采用一种新型的电路设计工艺，通过建模设计确定MOSFET在柔性衬底上的工作性能，并由此进行两个MOS管的互连实现柔性数字逻辑电路反相器的制备。在ADS软件上实现两个MOS管掺杂区宽长比的设计，设计器件版图，最后使用版图设计软件根据设计的工艺绘制掩膜版，随后通过洁净室柔性电子产品生产工艺制作，完成柔性衬底上数字逻辑反相器的设计与生产。数字反相器有较好的性能以及较宽的工作电压区间，在柔性数字集成电路的制作与智能穿戴领域、人工医疗、信息与能源领域具有广泛的应用前景。
本发明的目的在于设计并制备一种基于柔性PET衬底的数字反相器，采用磁控溅射的低温工艺，以及与传统CMOS工艺相兼容的新型柔性电子设计生产工艺，在柔性衬底上制备基本的数字电路反相器。此外，采用底部PET透明衬底，降低了生产成本，使得柔性反相器在大规模集成电路中的应用提供了可能。
本发明的技术方案在于首先在Advanced design system(ADS)软件中完成数字反相器的MOS管参数设计，随后绘制掩膜版，随后采用新型的柔性电子生产工艺，基于硅纳米膜转移的技术，在柔性衬底上采用低温生产工艺完成柔性数字逻辑反相器的制备与生产。
该柔性功率分配器的主要工作原理在于通过两个MOS的互连设计，顶部PMOS管连接高电位，底部NMOS管源极连接低电位，以两个MOS管的共有栅极作为电路的输入端，PMOS管的源极作为电路的输出端，当输入电压为高电平时，NMOS管打开，PMOS管截止，输出为NMOS管底部连接的低电位，当输入电压为低电平时，PMOS管打开，NMOS管截止，输出电压为PMOS管相连的高电平，从而实现数字电路输入与输出电压之间的高低电平转换，构成反相器的基本工作原理，而在柔性PET衬底上制备的反相器则可以实现多个弯曲态下的正常工作，对于智能穿戴设计，人工电子皮肤等等研究具有重要的研究意义。
下面将结合附图以及工作原理图对本发明的具体实施进行介绍，首先采用ADS射频电路设计与仿真软件设计并生成反相器的原理图(如附图2所示)，并将仿真结果进行优化得到我们制作工艺所需要的栅极宽长比，我们将以PET塑料衬底(附图1中的1标志)作为模板，在PET塑料衬底上进行硅纳米膜(附图1中2标志)的转移，随后磁控溅射形成栅介质层(附图1中5 11标记)以及金属蒸发形成金属层输入输出端(附图1中3 6 8 10 13标记)完成柔性逻辑反相器的设计与制备
工作原理
该柔性功率分配器的主要工作原理在于通过两个MOS的互连设计，顶部PMOS管连接高电位，底部NMOS管源极连接低电位，以两个MOS管的共有栅极作为电路的输入端，PMOS管的源极作为电路的输出端，当输入电压为高电平时，NMOS管打开，PMOS管截止，输出为NMOS管底部连接的低电位，当输入电压为低电平时，PMOS管打开，NMOS管截止，输入电压为PMOS管相连的高电平，从而实现数字电路输入与输出电压之间的高低电平转换，构成反相器的基本工作原理，由特定的工艺实现在柔性衬底上进行反相器的制备，如附图2所示的电路工作结构以及附图1所示的平面结构。
具体的制作工艺如下
l、在ADS仿真软件中设计出逻辑反相器的基本原理图，采用PMOS管和NMOS管的互连设计，两个MOS管的栅极端最为输入端，PMOS管的漏区作为反相器的高电平端，源极作为反相器的输出端，在输出端接入电感作为滤波耦合电感，完成连线与设计，初始化MOS管的基本长宽参数。
m、添加优化控件，设置反相器的优化参数，对输入输出电压参数进行优化，设置输入电压工作区间在0-5V，输出电压对应在0-3V,对器件的进行工作约束。
n、以器件的宽长比作为优化参数，进行仿真，得到的输入输出曲线与与目标设定进行对比，多次优化以后得到最优结果，确定两个MOS管的最佳宽长比。
o、根据得到的电路结构参数绘制掩膜版，分别制作处N阱区，P阱区，离子注入区，孔层区，顶部金属层以及柔性电感金属区
p、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗绝缘体上硅材料(SOI)，随后在完成磁控溅射的衬底上进行匀胶，1813正性光刻胶，匀胶速率为4K转速，30s时间，115°，3分钟前烘,进行光刻工艺，形成N阱区，进行离子注入，随后在退火炉中进行850°，30min的高温热退火工艺。
q、将退火后的SOI进行光刻工艺，形成N阱区内的离子注入区，完成离子注入，形成PMOS管掺杂区的设计。
r、对SOI进行对准光刻，完成NOS管掺杂区的图案，随后进行离子注入形成NMOS管并对SOI进行高温热退火。
s、匀胶光刻形成顶层50um乘以50um的孔层结构，随后RIE中采用反应离子刻蚀的技术将顶层硅进行刻蚀。
t、将SOI放入氢氟酸(HF)中，HF通过顶层刻蚀的硅孔结构将SOI中间的二氧化硅埋氧层进行刻蚀，只留下顶层硅纳米膜以及底层硅衬底结构。
u、随后，采用二甲基硅油(PDMS)转移的方式将SOI顶层纳米膜转移到柔性PET衬底上，进行光刻，以及磁控溅射形成二氧化硅介质层。
v、最后，进行光刻工艺，形成栅极以及源漏区的金属层，最后采用金属蒸发的工艺形成500nm厚的金电极金属层，去胶以后完成柔性反相器的制备。
Claims (2)
1.一种柔性衬底上硅纳米膜转数字逻辑反相器，其特征是，由PET柔性基底、转移硅纳米膜、转移硅纳米膜上集成的PMOS管与NMOS管以及射频电感互联组成，位于顶部的PMOS管的漏极连接高电位，底部NMOS管源极连接低电位，以两个MOS管的共有栅极作为电路的输入端，PMOS管的源极作为电路的输出端，当输入电压为高电平时，NMOS管打开，PMOS管截止，输出为NMOS管底部连接的低电位，当输入电压为低电平时，PMOS管打开，NMOS管截止，输出电压为PMOS管相连的高电平，从而实现数字电路输入与输出电压之间的高低电平转换。
2.一种柔性衬底上硅纳米膜转数字逻辑反相器制作方法，其特征是，步骤如下：
a、设计出逻辑反相器的基本原理图，采用PMOS管和NMOS管的互连设计，两个MOS管的栅极端最为输入端，PMOS管的漏区作为反相器的高电平端，源极作为反相器的输出端，在输出端接入电感作为滤波耦合电感，完成连线与设计，初始化MOS管的基本长宽参数；
b、添加优化控件，设置反相器的优化参数，对输入输出电压参数进行优化，对器件进行工作约束；
c、以器件的宽长比作为优化参数，进行仿真，得到的输入输出曲线与与目标设定进行对比，多次优化以后得到最优结果，确定两个MOS管的最佳宽长比；
d、根据得到的电路结构参数绘制掩膜版，分别制作处N阱区，P阱区，离子注入区，孔层区，顶部金属层以及柔性电感金属区；
e、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗绝缘体上硅材料SOI，随后在完成磁控溅射的衬底上进行匀胶，1813正性光刻胶，匀胶速率为4K转速，30s时间，115°，3分钟前烘,进行光刻工艺，形成N阱区，进行离子注入，随后在退火炉中进行850°，30min的高温热退火工艺；
f、将退火后的SOI进行光刻工艺，形成N阱区内的离子注入区，完成离子注入，形成PMOS管掺杂区的设计；
g、对SOI进行对准光刻，完成NOS管掺杂区的图案，随后进行离子注入形成NMOS管并对SOI进行高温热退火；
h、匀胶光刻形成顶层50um乘以50um的孔层结构，随后反应离子刻蚀系统RIE中采用反应离子刻蚀的技术将顶层硅进行刻蚀；
i、将SOI放入氢氟酸HF中，HF通过顶层刻蚀的硅孔结构将SOI中间的二氧化硅埋氧层进行刻蚀，只留下顶层硅纳米膜以及底层硅衬底结构；
j、随后，采用二甲基硅油PDMS转移的方式将SOI顶层纳米膜转移到柔性PET衬底上，进行光刻，以及磁控溅射形成二氧化硅介质层；
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