CN112687799A - 一种高结晶度半导体膜转移制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制造技术领域，具体一种高结晶度半导体膜转移制造方法。本发明方法利用具有粘度调节特性的热剥离胶带，将在诱导结晶模板上制备的半导体薄膜转移到目标衬底上，实现半导体内高度结晶区域与载流子传输区域的重合，并控制半导体膜分子链的取向排列，优化载流子传输效率，以便获得高电性能的半导体器件，从而实现高电学性能半导体器件的可靠制造。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制造技术领域，具体涉及高结晶度半导体膜的转移制造方法。
背景技术
在半导体材料中，载流子的迁移速度与材料的结晶程度直接相关，高的结晶度通常对应高的迁移率。为此在半导体薄膜膜制备过程中，通常会采用特殊的衬底材料，利用衬底表面的有序结构，对目标半导体材料进行诱导，提高目标薄膜的结晶度，并且实现取向性的晶体生长。这种基于衬底表面的结晶诱导技术的一个特点是：厚度方向上，离衬底表面越远的位置，诱导作用会越低，目标材料的结晶度也就逐渐降低。由于半导体器件的结构特性，载流子往往只在半导体材料的特定区域迁移，但是，前期的诱导界面并不一定能影响到这一区域。例如，对于场效应晶体管而言，载流子主要在半导体绝缘层界面附近10nm以内的沟道区迁移。为了提高晶体管的电学性能，晶体管中栅绝缘层往往采用高介电常数的材料，这一要求很难保证绝缘材料能够作为半导体层的良好诱导模板。因此，需要改进半导体薄膜的制备工艺，来克服各种模板诱导范围有限的这一缺点，使得晶体管工作时载流子迁移主要集中于高结晶度的半导体层中，并且使半导体的诱导取向有助于载流子的传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高结晶度半导体膜的转移制造方法，以克服各种模板诱导范围有限的这一缺点，使得晶体管工作时载流子迁移主要集中于高结晶度的半导体层中，并且使半导体的诱导取向有助于载流子的传输。
本发明内容针对半导体内载流子只在特定区域传输的特点，利用具有粘度调节特性的热剥离胶带，将在诱导结晶模板上制备的半导体薄膜转移到目标衬底上，实现半导体内高度结晶区域与载流子传输区域的重合，并能控制半导体膜分子链的取向排列，优化载流子传输效率，以便获得高电性能的半导体器件。
本发明提供的高结晶度半导体薄膜转移制造方法，其以附图1所示的底栅顶接触薄膜晶体管的制备工艺流程为例加以说明，具体步骤为：
（1）在衬底1上制备诱导结晶模板，接着在诱导结晶模板上沉积半导体膜；
（2）将热剥离胶带均匀覆盖在步骤（1）所制备的半导体膜上，并施以均匀压力P1，以保证热剥离胶带和半导体膜有效粘合；压力P1范围介于0.01MPa至10MPa之间；
（3）将热剥离胶连带半导体薄膜一同从诱导结晶模板上剥离；
（4）将粘附有半导体膜的热剥离胶带覆盖在目标衬底2上，并施以均匀压力P2，以保证热剥离胶带和衬底2有效粘合，压力P2范围介于0.01MPa至10MPa之间；随后将粘附有热剥离胶带的衬底2在温度T2下退火处理；
（5）退火处理导致热剥离胶带失粘，从而可以将其从衬底2上剥离，而半导体层仍旧留在衬底2上，实现半导体膜的高效转移；
（6）制备源、漏电极，完成薄膜晶体管的制备。
本发明中，所述诱导结晶模板包括但不限于摩擦转移的聚四氟乙烯模板、对目标半导体材料具有晶格匹配功能的其它模板、以及低表面能模板等。其中聚四氟乙烯模板的制备方式可参照专利“一种基于可控温、控压、摩擦成膜装置制备聚四氟乙烯有序模板的方法”（发明人：朱国栋、浮宗元；专利号：ZL201510202796.3）所开发的摩擦转移方法。
本发明中，所述半导体膜为各类有机半导体和无机半导体材料，包括但不限于有机半导体、氧化物半导体、二维半导体等。对于有机半导体材料，可以使用小分子材料和聚合物材料。
本发明中，半导体膜的制备方法包括各类与诱导结晶模板相兼容的工艺，包括但不限于真空热蒸发、喷墨打印、电子束蒸发、等离子体溅射、溶液旋涂、溶液刷涂、溶液书写、化学气相沉积等技术。
本发明中，温度T2的选择原则为，应高于热剥离胶带最低失粘温度，但最高不应破坏半导体膜结构；应根据热剥离胶带的不同，合理选择退火温度T2。
本发明中，在转移中使用的目标衬底包括各类柔性（如聚对苯二甲酸乙二醇脂PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇脂PEN、聚碳酸脂PC、弹性体聚合物、热塑性聚合物等）或是刚性（如硅、二氧化硅、玻璃、蓝宝石等）的衬底材料。若目标衬底为柔性衬底，则采用本发明的转移制造方法，可实现刚性衬底上高质量半导体膜高效转移至柔性衬底上，实现高性能柔性器件的制备。
本发明中，还可以对诱导结晶模板做图案化处理，实现半导体膜结晶区域的图案化处理；对诱导结晶模板做图案化处理可在制备半导体膜之前进行，也可在半导体膜沉积到诱导结晶模板后，或者在半导体膜转移到目标衬底后进行。图案化处理方法可为各类适用的加工方法，如等离子体处理、光刻、聚焦离子束刻蚀等。
附图1所示为底栅顶接触薄膜晶体管的制备工艺流程。根据所要制备器件结构（如薄膜晶体管、二极管等）的差异，可合理调整附图1所示工艺流程顺序。在制备薄膜晶体管时，包括采用底栅底接触、底栅顶接触、顶栅底接触、顶栅顶接触和其它结构。具体工艺流程在此不做赘述。
附图说明
图1为采用本发明开发的高结晶半导体膜转移制造方法，制备具有底栅顶接触结构的薄膜晶体管的制备工艺流程。
图2为有机半导体DPP-DTT膜的X射线衍射分析图，图中实线对应于沉积在诱导结晶模板上的DPP-DTT膜，虚线对应于直接沉积在重掺硅片上的DPP-DTT膜。
图3为所转移的有机半导体DPP-DTT膜的光学照片，膜区域在图中用虚线方框标出，面积约9cm2。
图4为采用本发明开发的高结晶半导体膜转移制造方法，制备的具有底栅顶接触结构的薄膜晶体管的转移特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体实施例，对本发明做进一步详细说明，此处所描述的实例仅仅是本发明的一部分，而不是全部的实例，同时通过实例用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
采用聚四氟乙烯模板，实现高结晶有机半导体DPP-DTT膜的制备。制备工艺流程如附图1中第一步流程所示。衬底1材料为重掺硅片。采用摩擦转移方法在硅片上制备聚四氟乙烯诱导结晶模板，具体工艺参考发明专利“一种基于可控温、控压、摩擦成膜装置制备聚四氟乙烯有序模板的方法”（发明人：朱国栋、浮宗元；专利号：ZL201510202796.3）。DPP-DTT溶解于氯苯中配置成质量浓度3mg/mL的均匀溶液。随后将DPP-DTT旋涂于聚四氟乙烯模板上。X射线衍射分析用于表征所制备DPP-DTT膜的晶体学特性。作为对比，DPP-DTT也直接旋涂在了没有聚四氟乙烯的重掺硅片上。X射线衍射分析结果如附图2所示，很明显，沉积在聚四氟乙烯模板上的DPP-DTT膜展现更强的结晶峰，表明聚四氟乙烯模板具有诱导结晶功能。
实施例2
将实施例1中制备的DPP-DTT膜转移至衬底2上，并进一步制备具有底栅顶接触的有机薄膜晶体管。制备工艺流程如附图1所示。将热剥离胶带均匀覆盖在已沉积在聚四氟乙烯模板上的DPP-DTT膜上，并施加P1=0.3Pa的垂直压力10分钟，然后将热剥离胶带剥离。DPP-DTT膜就转移至热剥离胶带上。随后，将粘附有DPP-DTT膜的热剥离胶带覆盖到衬底2（带有300nm二氧化硅层的重掺硅片）上, 并施加P2=0.3Pa的垂直压力10分钟，继而在100℃（高于热玻璃胶的最低失粘温度）下热处理1分钟，随后将热玻璃胶剥离，而DPP-DTT膜则留在二氧化硅衬底上。最后，采用真空热蒸发工艺在DPP-DTT膜上蒸镀铜源漏电极，形成晶体管沟道，沟道长度70μm，宽度0.5mm。完成有机薄膜晶体管的制备。
转移至二氧化硅衬底上的DPP-DTT膜的光学照片如附图3所示，图中虚线框出的区域即为半导体膜位置，面积约为9cm²，表明本发明方法可实现大面积半导体膜的可靠转移。
所制备有机薄膜晶体管的转移特性曲线如附图4所示，器件开关比优于105，展现优异的电性能。
Claims (9)
1.一种高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，利用具有粘度调节特性的热剥离胶带，将在诱导结晶模板上制备的半导体薄膜转移到目标衬底上，实现半导体内高度结晶区域与载流子传输区域的重合，并控制半导体膜分子链的取向排列，优化载流子传输效率，以便获得高电性能的半导体器件。
2.根据权利要求1所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，对于半导体器件为底栅顶接触薄膜晶体管，具体步骤为：
（1）在衬底（1）上制备诱导结晶模板，接着在诱导结晶模板上沉积半导体膜；
（2）将热剥离胶带均匀覆盖在步骤（1）所制备的半导体膜上，并施以均匀压力P1，以保证热剥离胶带和半导体膜有效粘合；压力P1范围介于0.01MPa至10MPa之间；
（3）将热剥离胶连带半导体薄膜一同从诱导结晶模板上剥离；
（4）将粘附有半导体膜的热剥离胶带覆盖在目标衬底（2）上，并施以均匀压力P2，以保证热剥离胶带和衬底2有效粘合，压力P2范围介于0.01MPa至10MPa之间；随后将粘附有热剥离胶带的衬底2在温度T2下退火处理；
（5）退火处理导致热剥离胶带失粘，从而可以将其从衬底2上剥离，而半导体层仍旧留在衬底2上，实现半导体膜的高效转移。
3.根据权利要求2所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，所述诱导结晶模板包括聚四氟乙烯模板、对目标半导体材料具有晶格匹配功能的其它模板、以及低表面能模板。
4.根据权利要求2所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，所述半导体膜为各类有机半导体和无机半导体材料，包括有机半导体、氧化物半导体或二维半导体。
5.根据权利要求4所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，半导体膜的制备方法为各类与诱导结晶模板相兼容的工艺，包括真空热蒸发、喷墨打印、电子束蒸发、等离子体溅射、溶液旋涂、溶液刷涂、溶液书写或化学气相沉积。
6.根据权利要求2所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，温度T2的选择原则为：高于热剥离胶带最低失粘温度，但最高不应破坏半导体膜结构。
7.根据权利要求2所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，在转移中使用的目标衬底（2）为柔性材料或是刚性材料；
所述柔性材料选自聚对苯二甲酸乙二醇脂PET、聚酰亚胺PI、聚萘二甲酸乙二醇脂PEN、聚碳酸脂PC、弹性体聚合物、热塑性聚合物；所述刚性材料选自硅、二氧化硅、玻璃、蓝宝石。
8.根据权利要求2所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，还包括对诱导结晶模板做图案化处理，实现半导体膜结晶区域的图案化处理；所述对诱导结晶模板做图案化处理在制备半导体膜之前进行，或者在半导体膜沉积到诱导结晶模板之后进行，或者在半导体膜转移到目标衬底之后进行；图案化处理方法为等离子体处理、光刻或聚焦离子束刻蚀。
9.根据权利要求2所述的高结晶度半导体膜转移制造方法，其特征在于，对于制备薄膜晶体管，包括采用底栅底接触、底栅顶接触、顶栅底接触、顶栅顶接触和其它结构。
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