CN108987529A - 一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，属于半导体器件制备技术领域。包括清洁硬质衬底和柔性衬底，栅极沉积，绝缘层沉积，富氧氧化锌沟道层沉积，低氧氧化锌沟道层沉积，源电极、漏电极沉积。优点是利用光敏晶体管的增益特性提高了光电探测响应度，叉指源电极、漏电极结构增强了光电流，双层氧化锌沟道层结构提高了电学稳定性，为市场上在普遍使用的射频磁控溅射和电子束蒸发，无需更换生产线；沟道层材料为纯氧化锌，成本低廉、绿色环保，在紫外探测领域具有良好应用前景，该制备方法的使用使氧化锌在紫外探测中更加具备应用潜力。

Description

一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，尤其涉及一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法。
背景技术
对于波长400nm以下紫外辐射的有效探测与监控一直是关系人类的生存和发展的重要问题。作为一种宽带隙半导体，氧化锌材料以容易合成、无毒无害、资源丰富和环境友好等优点，成为紫外探测的优选材料之一。其中稳定性和响应度是紫外探测器的重要参数。
发明内容
本发明提供一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，以增强器件的稳定性与光电流，提高紫外光响应度。
本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：
(一)、清洁硬质衬底和柔性衬底，所述硬质衬底用于粘合固定柔性衬底，清洁具体步骤如下：
(1)先将硬质衬底和柔性衬底放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面分子型沾污；
(2)将步骤(1)处理过的硬质衬底和柔性衬底置于乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面残余丙酮；
(3)将步骤(2)处理过的硬质衬底和柔性衬底用去离子水在室温下超声清洗3～5分钟，去除残余乙醇及离子型沾污；
(4)将步骤(3)处理过的硬质衬底和柔性衬底用高纯氮气吹干，放入烘箱90℃烘干5分钟，得到干净的硬质衬底和柔性衬底；
(二)、栅极沉积，所述栅极材料为金属或氧化物导电膜，以电子束蒸发方法制备；具体步骤如下：
(1)、使用光刻胶一将柔性衬底粘合固定在硬质衬底上，防止柔性衬底在制备时发生卷曲，得到样品一；
(2)、将样品一放入电子束蒸发设备中，沉积栅极，得到样品二；
(三)、绝缘层沉积，所述绝缘层采用高介电常数的氧化物绝缘体，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法制备，具体步骤如下：
将样品二置于等离子体增强化学气相沉积PECVD设备生长室底座上，沉积绝缘层，得到样品三；
(四)、富氧氧化锌沟道层沉积，方法采用射频磁控溅射，具体步骤如下：
将样品三置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，沉积高氧分压的富氧氧化锌沟道层，氧分压30％～50％，厚度3～10nm，得到样品四；
(五)、低氧氧化锌沟道层沉积，方法仍采用射频磁控溅射，不必将样品四取出加工，具体步骤如下：
(1)、调节氧分压至3％～10％，继续沉积低氧氧化锌沟道层，厚度30～70nm，取出后进行氧等离子体处理，得到样品五；
(2)、用光刻方法，把富氧氧化锌沟道层和低氧氧化锌沟道层刻蚀出小岛区域，具体步骤如下：
1)、涂胶，将样品五固定在匀胶仪上，旋涂光刻胶二，转速250rpm，时间7秒，升至500rpm，时间8秒，再升至3000rpm，时间30秒；
2)、前烘，将涂好光刻胶二的样品五在90℃下前烘3分钟；
3)、曝光，将前烘后的样品五用光刻板一覆盖，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分未受到光照，其余部分曝光；
4)、显影，将光刻胶二曝光后的样品五置于显影液中，曝光部分对应的光刻胶六溶于显影液，被去除，露出低氧氧化锌沟道层；
5)、坚膜，将光刻胶二显影后的样品五在90℃坚膜90秒；
6)、腐蚀，将坚膜后的样品五置于2.5‰浓度的HCl水溶液，腐蚀3秒，未被光刻胶二保护的部分，即富氧氧化锌沟道层和低氧氧化锌沟道层被腐蚀掉，露出绝缘层；
7)、去胶，将经过上述步骤腐蚀过的样品五放入丙酮溶液中10秒，光刻胶一和光刻胶二溶于丙酮溶液从而被剥离掉，硬质衬底脱落，再用酒精、去离子水冲洗，氮气吹干，形成样品六；
(六)、源电极、漏电极沉积，所述源电极、漏电极为金属或导电氧化物，结构为叉指电极，利用剥离技术，沉积方法采用电子束蒸发；具体步骤如下：
(1)、使用光刻胶三将样品六粘合固定在硬质衬底上，防止样品六在制备时发生卷曲；
(2)、涂胶，将粘合固定在硬质衬底上的样品六固定在匀胶仪上，旋涂光刻胶四，转速250rpm，时间7秒，升至500rpm，时间8秒，再升至3000rpm，时间30秒；
(3)、前烘，经过上步骤处理的样品六在90℃下前烘3分钟；
(4)、曝光，经过前烘处理的样品六用光刻板二覆盖，对版后，与低氧氧化锌沟道层重叠，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分曝光，其余部分未受到光照；
(5)、显影，将经过曝光处理的样品六置于显影液中，曝光部分对应的光刻胶四溶于显影液，被去除，露出低氧氧化锌沟道层，用去离子水冲洗，得到即将沉积叉指源电极、叉指漏电极的区域；
(6)、将经过显影处理的样品六放入电子束蒸发设备中，沉积金属或导电氧化物；
(7)、将经过上述步骤沉积金属或导电氧化物后的样品六放入丙酮中超声1分钟，光刻胶三和光刻胶四溶于丙酮，硬质衬底脱落，光刻胶四连同其上的金属或导电氧化物被去除，露出绝缘层和低氧氧化锌沟道层，形成叉指源电极、叉指漏电极，再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，即得。
本发明所述步骤(一)中硬质衬底和柔性衬底分别采用玻璃硬质衬底和PI柔性衬底。
本发明所述步骤(二)中栅极材料使用铝。
本发明所述步骤(三)中绝缘层使用二氧化硅。
本发明所述步骤(五)中光刻板一有铬涂层形成的图案，其余部分没有涂铬。
本发明所述步骤(六)中源电极、漏电极使用铝。
本发明所述步骤(六)中光刻板二有铬涂层和没有涂铬的部分形成的图案。
本发明光敏晶体管采用底栅型结构，其中沟道层以纯氧化锌为材料，利用射频磁控溅射的方法，采用双层结构，在不同氧分压下沉积高氧分压的富氧层和低氧分压的低氧层；
连接栅绝缘层的富氧层氧化锌为低阻的高质量薄膜，厚度一般为3～8nm，起到降低缺陷态密度、改善界面态、提高光电流、增强器件稳定性的作用；
在富氧层氧化锌上继续沉积低氧层氧化锌，低氧层为高阻，厚度一般为50～70nm，起到降低关态电流、调节开启电压的作用；
沟道层上的源、漏电极采用电子束蒸发的方式蒸镀叉指电极，可以在保持晶体管开关比及其他性能不发生明显改变的前提下，进一步大幅度的提高光电流电流，增加光电探测器的光响应能力。
本发明的优点是利用光敏晶体管的增益特性提高了光电探测响应度，叉指源电极、漏电极结构增强了光电流，双层氧化锌沟道层结构提高了电学稳定性，解决了制备纯氧化锌薄膜晶体管的稳定性差问题；光敏晶体管的沟道层制备应用磁控溅射设备，以富氧、低氧氧化锌双层结构来提高器件稳定性与光电流；在其上制备叉指形状的源、漏电极进一步大幅提高光电流与光响应度。器件制备工艺简单，为市场上在普遍使用的射频磁控溅射和电子束蒸发，无需更换生产线；沟道层材料为纯氧化锌，成本低廉、绿色环保，在紫外探测领域具有良好应用前景，该制备方法的使用使氧化锌在紫外探测中更加具备应用潜力。
附图说明
图1是清洗好的硬质衬底示意图；
图2是清洗好的柔性衬底示意图；
图3是将柔性衬底粘合在硬质衬底上的示意图(样品一)；
图4是沉积完栅极的样本剖面图(样品二)；
图5是沉积完二氧化硅绝缘层剖面图(样品三)；
图6是沉积完富氧氧化锌层的样本剖面图(样品四)；
图7是沉积完低氧氧化锌层的样本剖面图(样品五)；
图8是把沟道层光刻出多个制作单一薄膜晶体管器件的小岛区域剖面图(样品六)；
图9是把沟道层光刻出多个制作单一薄膜晶体管器件的小岛区域俯视图(样品六)；
图10是制备完成的氧化锌薄膜晶体管剖面图；
图11是制备完成的氧化锌薄膜晶体管俯视图；
图12是氧化锌薄膜晶体管单一器件剖面示意图；
图13是氧化锌薄膜晶体管单一器件俯视图；
图14是光刻板一示意图；
图15是光刻板二示意图；
其中：硬质衬底1、柔性衬底2、栅极3、绝缘层4、富氧氧化锌沟道层5、低氧氧化锌沟道层6、源电极7、漏电极8、没有涂铬的部分9、铬涂层10。
具体实施方式
包括如下步骤：
(一)、清洁硬质衬底1和柔性衬底2；所述硬质衬底1用于粘合固定柔性衬底2，硬质衬底可以为玻璃、蓝宝石、硅片等；柔性衬底2可以为PET、PI等，本实施例采用玻璃硬质衬底和PI柔性衬底；具体步骤如下：
(1)先将硬质衬底1和柔性衬底2放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面分子型沾污；
(2)将步骤(1)处理过的硬质衬底1和柔性衬底2置于乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面残余丙酮；
(3)将步骤(2)处理过的硬质衬底1和柔性衬底2用去离子水在室温下超声清洗3～5分钟，去除残余乙醇及离子型沾污；
(4)将步骤(3)处理过的硬质衬底1和柔性衬底2用高纯氮气吹干，放入烘箱90℃烘干5分钟，得到干净的硬质衬底1和柔性衬底2，见图1、2；
(二)、栅极3沉积，所述栅极材料为金属或氧化物导电膜，以电子束蒸发方法制备；本实施例中使用铝，具体步骤如下：
(1)、使用光刻胶一将柔性衬底2粘合固定在硬质衬底1上，防止柔性衬底2在制备时发生卷曲，得到样品一，见图3；
(2)、将样品一放入电子束蒸发设备中，沉积金属铝栅极3，得到样品二，见图4；
(三)、绝缘层4沉积，所述绝缘层采用高介电常数的氧化物绝缘体，本实施例中使用二氧化硅，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法制备，具体步骤如下：
将样品二置于等离子体增强化学气相沉积PECVD设备生长室底座上，沉积二氧化硅绝缘层4，得到样品三，见图5；
(四)、富氧氧化锌沟道层5沉积，方法采用射频磁控溅射；具体步骤如下：
将样品三置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，沉积高氧分压的富氧氧化锌沟道层5，氧分压30％～50％，厚度3～10nm，得到样品四，见图6；减少富氧氧化锌沟道层5与绝缘层4界面间的氧空位缺陷，使晶体管的稳定性提高；
(五)、低氧氧化锌沟道层6沉积，方法仍采用射频磁控溅射，不必将样品四取出加工，节约生产成本、降低工艺复杂性；具体步骤如下：
(1)、调节氧分压至3％～10％，继续沉积低氧氧化锌沟道层6，厚度30～70nm，取出后进行氧等离子体处理，得到样品五，见图7；
(2)、用光刻方法，把富氧氧化锌沟道层5和低氧氧化锌沟道层6刻蚀出小岛区域，具体步骤如下：
1)、涂胶，将样品五固定在匀胶仪上，旋涂光刻胶二，转速250rpm，时间7秒，升至500rpm，时间8秒，再升至3000rpm，时间30秒；
2)、前烘，将涂好光刻胶二的样品五在90℃下前烘3分钟；
3)、曝光，将前烘后的样品五用光刻板一11覆盖，该光刻板一11有铬涂层10形成的图案，其余部分9没有涂铬；见图14，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分未受到光照，其余部分曝光；
4)、显影，将光刻胶二曝光后的样品五置于显影液中，曝光部分对应的光刻胶六溶于显影液，被去除，露出低氧氧化锌沟道层6；
5)、坚膜，将光刻胶二显影后的样品五在90℃坚膜90秒；
6)、腐蚀，将坚膜后的样品五置于2.5‰浓度的HCl水溶液，腐蚀3秒，未被光刻胶二保护的部分，即富氧氧化锌沟道层5和低氧氧化锌沟道层6被腐蚀掉，露出绝缘层4；
7)、去胶，将经过上述步骤腐蚀过的样品五放入丙酮溶液中10秒，光刻胶一和光刻胶二溶于丙酮溶液从而被剥离掉，硬质衬底1脱落，再用酒精、去离子水冲洗，氮气吹干，形成样品六，见图8、9；
(六)、源电极7、漏电极8沉积，所述源电极7、漏电极8为金属或导电氧化物，结构为叉指电极，本实施例中使用铝，利用剥离技术，沉积方法采用电子束蒸发；具体步骤如下：
(1)、使用光刻胶三将样品六粘合固定在硬质衬底1上，防止样品六在制备时发生卷曲；
(2)、涂胶，将粘合固定在硬质衬底1上的样品六固定在匀胶仪上，旋涂光刻胶四，转速250rpm，时间7秒，升至500rpm，时间8秒，再升至3000rpm，时间30秒；
(3)、前烘，经过上步骤处理的样品六在90℃下前烘3分钟；
(4)、曝光，经过前烘处理的样品六用光刻板二12覆盖，该光刻板二12有铬涂层10和没有涂铬的部分9形成的图案，见图15，对版后，与低氧氧化锌沟道层6重叠，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分曝光，其余部分未受到光照；
(5)、显影，将经过曝光处理的样品六置于显影液中，曝光部分对应的光刻胶四溶于显影液，被去除，露出低氧氧化锌沟道层6；用去离子水冲洗，得到即将沉积叉指源电极7、叉指漏电极8的区域；
(6)、将经过显影处理的样品六放入电子束蒸发设备中，沉积金属铝；
(7)、将经过上述步骤沉积金属铝后的样品六放入丙酮中超声1分钟，光刻胶三和光刻胶四溶于丙酮，硬质衬底1脱落，光刻胶四连同其上的金属铝被去除，露出绝缘层4和低氧氧化锌沟道层6，形成叉指源电极7、叉指漏电极8，再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，即得，见图10、11。

Claims (7)

1.一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(一)、清洁硬质衬底和柔性衬底，所述硬质衬底用于粘合固定柔性衬底，清洁具体步骤如下：
(1)先将硬质衬底和柔性衬底放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面分子型沾污；
(2)将步骤(1)处理过的硬质衬底和柔性衬底置于乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面残余丙酮；
(3)将步骤(2)处理过的硬质衬底和柔性衬底用去离子水在室温下超声清洗3～5分钟，去除残余乙醇及离子型沾污；
(4)将步骤(3)处理过的硬质衬底和柔性衬底用高纯氮气吹干，放入烘箱90℃烘干5分钟，得到干净的硬质衬底和柔性衬底；
(二)、栅极沉积，所述栅极材料为金属或氧化物导电膜，以电子束蒸发方法制备；具体步骤如下：
(1)、使用光刻胶一将柔性衬底粘合固定在硬质衬底上，防止柔性衬底在制备时发生卷曲，得到样品一；
(2)、将样品一放入电子束蒸发设备中，沉积栅极，得到样品二；
(三)、绝缘层沉积，所述绝缘层采用高介电常数的氧化物绝缘体，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法制备，具体步骤如下：
将样品二置于等离子体增强化学气相沉积PECVD设备生长室底座上，沉积绝缘层，得到样品三；
(四)、富氧氧化锌沟道层沉积，方法采用射频磁控溅射，具体步骤如下：
将样品三置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，沉积高氧分压的富氧氧化锌沟道层，氧分压30％～50％，厚度3～10nm，得到样品四；
(五)、低氧氧化锌沟道层沉积，方法仍采用射频磁控溅射，不必将样品四取出加工，具体步骤如下：
(1)、调节氧分压至3％～10％，继续沉积低氧氧化锌沟道层，厚度30～70nm，取出后进行氧等离子体处理，得到样品五；
(2)、用光刻方法，把富氧氧化锌沟道层和低氧氧化锌沟道层刻蚀出小岛区域，具体步骤如下：
1)、涂胶，将样品五固定在匀胶仪上，旋涂光刻胶二，转速250rpm，时间7秒，升至500rpm，时间8秒，再升至3000rpm，时间30秒；
2)、前烘，将涂好光刻胶二的样品五在90℃下前烘3分钟；
3)、曝光，将前烘后的样品五用光刻板一覆盖，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分未受到光照，其余部分曝光；
4)、显影，将光刻胶二曝光后的样品五置于显影液中，曝光部分对应的光刻胶六溶于显影液，被去除，露出低氧氧化锌沟道层；
5)、坚膜，将光刻胶二显影后的样品五在90℃坚膜90秒；
6)、腐蚀，将坚膜后的样品五置于2.5‰浓度的HCl水溶液，腐蚀3秒，未被光刻胶二保护的部分，即富氧氧化锌沟道层和低氧氧化锌沟道层被腐蚀掉，露出绝缘层；
7)、去胶，将经过上述步骤腐蚀过的样品五放入丙酮溶液中10秒，光刻胶一和光刻胶二溶于丙酮溶液从而被剥离掉，硬质衬底脱落，再用酒精、去离子水冲洗，氮气吹干，形成样品六；
(六)、源电极、漏电极沉积，所述源电极、漏电极为金属或导电氧化物，结构为叉指电极，利用剥离技术，沉积方法采用电子束蒸发；具体步骤如下：
(1)、使用光刻胶三将样品六粘合固定在硬质衬底上，防止样品六在制备时发生卷曲；
(2)、涂胶，将粘合固定在硬质衬底上的样品六固定在匀胶仪上，旋涂光刻胶四，转速250rpm，时间7秒，升至500rpm，时间8秒，再升至3000rpm，时间30秒；
(3)、前烘，经过上步骤处理的样品六在90℃下前烘3分钟；
(4)、曝光，经过前烘处理的样品六用光刻板二覆盖，对版后，与低氧氧化锌沟道层重叠，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分曝光，其余部分未受到光照；
(5)、显影，将经过曝光处理的样品六置于显影液中，曝光部分对应的光刻胶四溶于显影液，被去除，露出低氧氧化锌沟道层，用去离子水冲洗，得到即将沉积叉指源电极、叉指漏电极的区域；
(6)、将经过显影处理的样品六放入电子束蒸发设备中，沉积金属或导电氧化物；
(7)、将经过上述步骤沉积金属或导电氧化物后的样品六放入丙酮中超声1分钟，光刻胶三和光刻胶四溶于丙酮，硬质衬底脱落，光刻胶四连同其上的金属或导电氧化物被去除，露出绝缘层和低氧氧化锌沟道层，形成叉指源电极、叉指漏电极，再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，即得。
2.根据权利要求1所述的一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(一)中硬质衬底1和柔性衬底2分别采用玻璃硬质衬底和PI柔性衬底。
3.根据权利要求1所述的一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(二)中栅极材料使用铝。
4.根据权利要求1所述的一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(三)中绝缘层使用二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(五)中光刻板一有铬涂层形成的图案，其余部分没有涂铬。
6.根据权利要求1所述的一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(六)中源电极、漏电极使用铝。
7.根据权利要求1所述的一种柔性氧化锌光敏晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(六)中光刻板二有铬涂层和没有涂铬的部分形成的图案。
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