CN109166913A - 锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高控制力薄膜晶体管技术、柔性器件，本发明旨在提出薄膜晶体管及其制造技术方案，所述晶体管有较好的性能以及较高的工作频率和较强的栅极控制力，在柔性集成电路的制作、智能穿戴以及光电器件领域具有广泛的应用前景。为此，本发明,锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管及其制作方法，PET衬底上镀有铬金薄膜和二氧化铪栅介质膜；在上方是锗纳米膜，锗纳米膜内有两处相互间隔的掺杂区，两处掺杂区中间位置的上部为二氧化铪栅极介质层；二氧化铪栅极介质层上方是顶栅电极；两处相互间隔的掺杂区上方分别形成有源、漏栅金属电极层。本发明主要应用于柔性器件设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及高控制力薄膜晶体管技术、柔性器件，具体讲,涉及锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管及其制做方法。
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RFID、电子用表面粘贴、有机发光二极管OLED、柔性电子显示器等。与传统IC技术一样，柔性电子技术发展的主要驱动力是制造工艺和装备。在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件成为了制造的关键。本发明采用一种基于锗纳米膜制备的新型工艺，分别采用真空电子束蒸镀和磁控溅射镀导电金属膜与栅介质层，光刻后离子刻蚀以及HF湿法刻蚀的技术，将GOI上的锗纳米膜剥离以及转移到柔性可弯曲PET衬底上，随后通过层层光刻以及刻蚀的方式形成一个双层栅极控制单沟道结构晶体管，将来有望在可穿戴电子，大规模柔性集成电路以及高速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，本发明旨在提出薄膜晶体管及其制造技术方案，所述晶体管有较好的性能以及较高的工作频率和较强的栅极控制力，在柔性集成电路的制作、智能穿戴以及光电器件领域具有广泛的应用前景。为此，本发明采用的技术方案是，锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管制作方法，采用真空电子束蒸镀和磁控溅射工艺分别在PET衬底上镀上铬金薄膜和二氧化铪栅介质膜；随后采用光刻形成图案以及离子注入的方式形成两处相互间隔的掺杂区，采用光刻以及离子刻蚀的方式形成方孔层，采用湿法HF刻蚀的方式刻蚀掉埋氧层，通过转移的方法将锗纳米薄膜转移到已经镀有二氧化铪栅介质膜的PET衬底；然后通过光刻以及磁控溅射的方式形成顶部二氧化铪栅极介质层；最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式在两处相互间隔的掺杂区上方分别形成源、漏栅金属电极层，在二氧化铪栅极介质层上方形成顶部金属电极层，完成晶体管的制作。
具体步骤细化为：
a.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到PET衬底；
b.采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀30nm/400nm厚度的Cr/Au金属层，并使用磁控溅射镀100nm厚二氧化铪底部介质栅层膜；
c.选用GOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干GOI；
d.在GOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，设置转速为4000rpm,转动时间为30s，将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行N型注入，参数为注入能量为40Kev，剂量为4*1015cm2，产生源漏掺杂区，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶；
e.按照掩膜版上做好的标记，将源漏掺杂区与掩膜板上间距5um排列的正方形孔层进行对准光刻，显影后在GOI上形成间距5um排列的正方形小孔层，随后采用离子刻蚀的方式将正方形小孔上的硅去除；
f.在3:1的HF溶液中，放入之前做好的GOI，两小时后GOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后锗纳米膜层将脱落，将锗纳米膜层粘附于镀好膜的柔性PET衬底之上，烘干；
g.在转移到PET上的锗纳米膜上涂胶，用匀胶机甩均匀之后根据在正方形孔层上的标记进行对齐光刻，形成晶体管的栅极，随后采用离子刻蚀的方式，分别将锗纳米膜以及镀上的栅氧化物膜层刻蚀，与导电的金属层形成欧姆接触；
h.去光刻胶然后对PET上的器件进行匀胶之后，根据栅极的标记进行对准光刻，形成顶部栅介质层的图案；
i.最后，在形成的图案上进行磁控溅射，在顶部栅极镀100nm厚的二氧化铪顶部栅介质层。
j.去光刻胶然后对形成顶部栅介质层的柔性器件进行涂胶后对准光刻，形成顶栅和源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀30nm/400nm厚度的Cr/Au金属形成顶部栅极以及源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。
锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管，PET衬底上镀有铬金薄膜和二氧化铪栅介质膜；在上方是锗纳米膜，锗纳米膜内有两处相互间隔的掺杂区，两处掺杂区中间位置的上部为二氧化铪栅极介质层；二氧化铪栅极介质层上方是顶栅电极；两处相互间隔的掺杂区上方分别形成有源、漏栅金属电极层。
本发明的特点及有益效果是：
本发明在PEN塑料衬底上制备晶体管，实现器件的弯曲特性，此外相比较于传统硅衬底，能极大的改善器件的寄生效应，提高工作频率以及响应速度,可以实现弯曲状态下的晶体管的正常工作，大幅度提高栅极的控制能力，在智能穿戴柔性电子产品上实现广泛的应用。
附图说明：
附图1为柔性双层栅极薄膜晶体管的三维立体图，附图二为晶体管的剖面图以及附图三为发明的工作原理图。
附图2各项已经在图中标注，对附图一说明：1为PET柔性衬底，2为底部金属栅极，3为二氧化铪底栅介质层，4为锗纳米膜，5为锗薄膜上的孔层，6为n型漏掺杂区，7为二氧化铪顶部栅介质层，8为n型源掺杂区，9为金属源电极，10为顶部金属栅电极，11为金属漏电极。
附图3为发明的工作原理图，在金属顶部和底部两个栅电极中施加一定的偏压之后，通过顶部和底部的金属导电薄膜，在顶部和底部的金属层产生一定的电压，当施加的电压较小或者无偏压时，锗纳米薄膜层由于没有反型层的产生，即使在源漏之间添加电压，源漏之间也不会产生电流，器件关断。当电压足够大时，锗纳米薄膜层将在与栅氧层接触的表面处产生电子反型层，原本晶体中空穴居多的锗纳米薄膜上下两个表面，将产生电子数大于空穴数的表面反型区，此区域称之为器件的沟道区，随后，在N型掺杂的源漏极施加偏压，会产生源漏之间的电流，器件导通。本发明中的器件有较高的集成度，有更为广泛范围的应用。此外，本发明是集成在塑料衬底上的晶体管器件，当塑料衬底弯曲时，依旧可以满足器件的正常工作，可以在智能穿戴，人工皮肤，生物医疗、高速器件等方面取得更为广泛的应用。
具体实施方式
本发明的目的在于设计并制备一种基于柔性PET衬底的双层栅结构的锗纳米膜晶体管，采用真空电子束蒸镀和磁控溅射的低温工艺，在较为简便的工艺中设计并制备双层栅结构有较高的栅极驱动控制能力的柔性薄膜晶体管，采用顶底双栅结构极大丰富了晶体管作为电路元器件的用处。此外，采用底部和顶部电阻率较低的铬金导电薄膜驱动，工作性能更加优良，制作工艺更加简单，使得该柔性器件在大规模集成电路和高速电路的应用提供了可能。
本发明的技术方案在于采用真空电子束蒸镀和磁控溅射工艺分别在PET衬底上镀上铬金薄膜和二氧化铪栅介质膜，随后采用光刻形成图案以及离子注入的方式形成掺杂区，采用光刻以及离子刻蚀的方式形成方孔层，采用湿法HF刻蚀的方式形成锗纳米膜层，通过转移在PET衬底上形成锗纳米膜，然后通过光刻以及磁控溅射的方式形成顶部二氧化铪栅极介质层，最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏栅金属电极层，完成晶体管的制备。
该柔性底栅同质介质层薄膜晶体管的主要工作原理在于通过在上下两个栅电极上添加偏压，在源漏掺杂区靠近栅氧化物之处会形成电子反型层，作为器件的导电沟道，器件导通，随后在源漏电极之间加上偏压，器件将会开始工作，通过栅压控制器件是否导通以及器件的源漏之间电流的原理，此外，由于上下两个栅电极的包裹作用使得栅极有较强的对于沟道电流的控制能力，同样的栅压下控制能力至少增强一倍，而柔性衬底可以减少传统硅基衬底MOSFTT晶体管的寄生效应，并可以在不同的弯曲程度之下工作，为高性能柔性电路的大规模集成以及可穿戴电子设备的广泛应用提供了可能。
顶部二氧化铪栅极介质层结构形成金属型晶体管，导电性更强，方便利用电极进行供电测试。
具体的制作工艺如下
k.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到较为清洁的衬底。
l.采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀30nm/400nm厚度的Cr/Au金属层，并使用磁控溅射镀100nm厚二氧化铪底部介质栅层膜。
m.选用GOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干GOI。
n.在GOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，设置转速为4000rpm,转动时间为30s，将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行N型注入，参数为注入能量为40Kev，剂量为4*1015cm2，产生源漏掺杂区，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶。
o.按照掩膜版上做好的标记，将源漏掺杂区与掩膜板上间距5um排列的正方形孔层进行对准光刻，显影后在GOI上形成间距5um排列的正方形小孔层，随后采用离子刻蚀的方式将正方形小孔上的硅去除。
p.在3:1的HF溶液中，放入之前做好的GOI，两小时后GOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后锗纳米膜层将脱落，将锗纳米膜层粘附于镀好膜的柔性PET衬底之上，烘干。
q.在转移到PET上的锗纳米膜上涂胶，用匀胶机甩均匀之后根据在正方形孔层上的标记进行对齐光刻，形成晶体管的栅极，随后采用离子刻蚀的方式，分别将锗纳米膜以及镀上的栅氧化物膜层刻蚀，与导电的金属层形成欧姆接触。
r.去光刻胶然后对PET上的器件进行匀胶之后，根据栅极的标记进行对准光刻，形成顶部栅介质层的图案。
s.最后，在形成的图案上进行磁控溅射，在顶部栅极镀100nm厚的二氧化铪顶部栅介质层。
t.去光刻胶然后对形成顶部栅介质层的柔性器件进行涂胶后对准光刻，形成顶栅和源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀30nm/400nm厚度的Cr/Au金属形成顶部栅极以及源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。
Claims (3)
1.一种锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管制作方法，其特征是，采用真空电子束蒸镀和磁控溅射工艺分别在PET衬底上镀上铬金薄膜和二氧化铪栅介质膜；随后采用光刻形成图案以及离子注入的方式形成两处相互间隔的掺杂区，采用光刻以及离子刻蚀的方式形成方孔层，采用湿法HF刻蚀的方式刻蚀掉埋氧层，通过转移的方法将锗纳米薄膜转移到已经镀有二氧化铪栅介质膜的PET衬底；然后通过光刻以及磁控溅射的方式形成顶部二氧化铪栅极介质层；最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式在两处相互间隔的掺杂区上方分别形成源、漏栅金属电极层，在二氧化铪栅极介质层上方形成顶部金属电极层，完成晶体管的制作。
2.如权利要求1所述的锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管制作方法，其特征是，具体步骤细化如下：
a.选用PET柔性材料作为衬底，首先将PET放进盛有丙酮溶液的烧杯中，然后在超声波清洗器中清洗5分钟，随后使用异丙醇溶液将用丙酮清洗过的PET在超声波清洗器中将丙酮清洗干净，得到PET衬底；
b.采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀30nm/400nm厚度的Cr/Au金属层，并使用磁控溅射镀100nm厚二氧化铪底部介质栅层膜；
c.选用GOI材料，在超声波清洗器中采用丙酮进行清洗，随后采用异丙醇洗净丙酮残留物，吹干GOI；
d.在GOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，设置转速为4000rpm,转动时间为30s，将光刻胶甩均匀，随后使用光刻机以及制作好的掩膜版进行光刻形成特定的掺杂区图案，随后采用离子注入的方式进行N型注入，参数为注入能量为40Kev，剂量为4*1015cm2，产生源漏掺杂区，在750℃的温度条件下，快速热退火10s之后，在丙酮溶液中除去光刻胶；
e.按照掩膜版上做好的标记，将源漏掺杂区与掩膜板上间距5um排列的正方形孔层进行对准光刻，显影后在GOI上形成间距5um排列的正方形小孔层，随后采用离子刻蚀的方式将正方形小孔上的硅去除；
f.在3:1的HF溶液中，放入之前做好的GOI，两小时后GOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后锗纳米膜层将脱落，将锗纳米膜层粘附于镀好膜的柔性PET衬底之上，烘干；
g.在转移到PET上的锗纳米膜上涂胶，用匀胶机甩均匀之后根据在正方形孔层上的标记进行对齐光刻，形成晶体管的栅极，随后采用离子刻蚀的方式，分别将锗纳米膜以及镀上的栅氧化物膜层刻蚀，与导电的金属层形成欧姆接触；
h.去光刻胶然后对PET上的器件进行匀胶之后，根据栅极的标记进行对准光刻，形成顶部栅介质层的图案；
i.最后，在形成的图案上进行磁控溅射，在顶部栅极镀100nm厚的二氧化铪顶部栅介质层。
j.去光刻胶然后对形成顶部栅介质层的柔性器件进行涂胶后对准光刻，形成顶栅和源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀方法在PET衬底上镀30nm/400nm厚度的Cr/Au金属形成顶部栅极以及源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。
3.一种锗纳米膜柔性金属型顶底双栅薄膜晶体管，其特征是，PET衬底上镀有铬金薄膜和二氧化铪栅介质膜；在上方是锗纳米膜，锗纳米膜内有两处相互间隔的掺杂区，两处掺杂区中间位置的上部为二氧化铪栅极介质层；二氧化铪栅极介质层上方是顶栅电极；两处相互间隔的掺杂区上方分别形成有源、漏栅金属电极层。
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