阅读说明：本技术 双层材料异质栅介质层柔性硅薄膜晶体管及其制造方法 (Double-layer material heterogeneous gate dielectric layer flexible silicon thin film transistor and manufacturing method thereof ) 是由 秦国轩 裴智慧 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于柔性器件领域,为提出一种柔性双层材料作为栅介质层的底栅结构晶体管,丰富晶体管作为电路元器件的用处,使得该柔性器件在大规模集成电路和光电器件的应用提供了可能,本发明双层材料异质栅介质层柔性硅薄膜晶体管及其制造方法,采用磁控溅射工艺在PET衬底上形成ITO底栅电极以及TiO<Sub>2</Sub>/Ta<Sub>2</Sub>O<Sub>5</Sub>栅介质膜,随后在SOI上采用光刻工艺形成掺杂区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刻蚀的方式形成硅纳米膜层,通过转移技术将硅纳米薄膜转移到PET衬底上,最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏电极,完成晶体管的制备。本发明主要应用于设计制造场合。(The invention belongs to the field of flexible devices, and provides a bottom gate structure transistor with a flexible double-layer material as a gate dielectric layer, which enriches the use of the transistor as a circuit component and makes the application of the flexible device in large-scale integrated circuits and photoelectric devices possible 2 /Ta 2 O 5 A gate dielectric film, subsequent patterning of doped regions on the SOI by photolithography and ion implantationThe method comprises the steps of forming a doped region, forming a square hole layer by adopting a photoetching and ion etching mode, forming a silicon nano film layer by adopting a wet HF etching mode, transferring the silicon nano film to a PET substrate by a transfer technology, and finally forming a source electrode and a drain electrode by adopting a photoetching and vacuum electron beam evaporation mode to finish the preparation of the transistor. The invention is mainly applied to design and manufacture occasions.)

双层材料异质栅介质层柔性硅薄膜晶体管及其制造方法

技术领域

本发明属于柔性器件领域，具体涉及到一种基于硅纳米膜的双层材料作为栅介质层的底栅薄膜晶体管的结构设计以及制备方法。

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。如印刷射频识别标签(RFID)、电子用表面粘贴、有机发光二极管OLED、柔性电子显示器等。与传统集成电路(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硅纳米膜制备的新型工艺，采用磁控溅射形成底栅电极，光刻后离子刻蚀以及氢氟酸(HF)湿法刻蚀的技术，将绝缘体上硅(SOI)上的硅纳米膜剥离以及转移到柔性可弯曲聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上，随后通过光刻和真空电子束蒸镀技术形成金属源漏电极，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衬底的双层材料作为栅介质层的底栅结构晶体管，采用磁控溅射的低温工艺，在较为简便的工艺中设计并制备底部驱动的柔性薄膜晶体管，极大丰富了晶体管作为电路元器件的用处，使得该柔性器件在大规模集成电路和光电器件的应用提供了可能。为此，本发明采取的技术方案是，双层材料异质栅介质层柔性硅薄膜晶体管制造方法，采用磁控溅射工艺在聚对苯二甲酸乙二醇酯PET衬底上形成氧化铟锡ITO底栅电极以及氧化钛TiO₂/氧化钽Ta₂O₅栅介质膜，随后在绝缘体上硅SOI上采用光刻工艺形成掺杂区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刻蚀的方式形成硅纳米膜层，通过转移技术将硅纳米薄膜转移到PET衬底上，最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏电极，完成晶体管的制备。

具体的制作工艺如下：

a、选用聚对苯二甲酸乙二醇酯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；

b、采用磁控溅射在PET衬底上镀氧化钛ITO膜以及氧化钛TiO₂和氧化钽Ta₂O₅作为底部介质栅层膜；

c、选用SOI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SOI；

d、在SOI表面涂上1813正型光刻胶，并使用匀胶机，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，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SOI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的氢氟酸HF溶液中，放入之前做好的SOI，两小时后SOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后硅纳米膜层将脱落，将硅纳米膜层转移到已经镀好ITO和栅介质层的柔性PET衬底之上，烘干；

g、在转移到PET上的硅纳米膜上涂胶，对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀的方式形成金属源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。

双层材料异质栅介质层柔性硅薄膜晶体管包含PET塑料衬底，以及PET塑料衬底上依次设置的氧化铟锡ITO栅电极层、氧化钛TiO₂和氧化钽Ta₂O₅双层材料作为栅极介质层、N型掺杂的硅纳米膜，N型掺杂的硅纳米膜上设置有金属源漏电极层。

在ITO底栅电极中施加一定的偏压，当施加的电压较小或者无偏压时，硅纳米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，硅纳米膜层将在与栅氧层接触的表面处产生电子反型层，原本晶体管中空穴居多的硅纳米膜在靠近栅极介质层表面处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。

本发明的特点及有益效果是：

本发明设计的晶体管具有高介电常数的栅极介质层，在同样的条件下可以做的很薄，从而满足集成电路尺寸逐渐减小的趋势，而且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。

附图说明：

附图1为柔性底栅薄膜晶体管的剖面图。

附图2为发明的工作原理图。

具体实施方式

本发明以柔性衬底上的硅薄膜转移技术为基础，介绍了一种在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料衬底上制备的双层异质栅介质层晶体管的结构以及制备方案，晶体管的主要结构包含PET塑料衬底，氧化铟锡(ITO)栅电极层，氧化钛(TiO₂)和氧化钽(Ta₂O₅)双层材料作为栅极介质层，N型掺杂的硅纳米膜，金属源漏电极层。本文采用一种新型的制备工艺，在沉积有ITO导电层的PET衬底上采用磁控溅射的方法涂上两层栅极介质层，分别为TiO₂和Ta₂O₅作为底部栅氧层，在绝缘体上硅(SOI)上通过光刻和离子注入技术形成N型掺杂区，作为源漏有源区，通过硅薄膜转移技术将顶层硅薄膜转移到已经溅射有栅介质层的ITO/PET上。接下来通过设计制备好的掩膜版光刻制备源漏电极，实现一个较高频率下工作的底栅结构晶体管的制备。晶体管具有高介电常数的栅极介质层，在同样的条件下可以做的很薄，从而满足集成电路尺寸逐渐减小的趋势，而且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。

本发明的技术方案在于采用磁控溅射工艺在PET衬底上形成ITO底栅电极以及TiO₂/Ta₂O₅栅介质膜，随后在SOI上采用光刻工艺形成掺杂区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刻蚀的方式形成硅纳米膜层，通过转移技术将硅纳米薄膜转移到PET衬底上，最后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏电极，这样就完成了晶体管的制备。

该柔性底栅双层材料的栅介质层薄膜晶体管的主要工作原理在于通过在底栅电极上施加偏压，在源漏掺杂区靠近栅介质层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，此外，柔性衬底可以减少传统硅基衬底晶体管的寄生效应，并可以在不同的弯曲程度下工作，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。

在ITO底栅电极中施加一定的偏压，当施加的电压较小或者无偏压时，硅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，硅纳米薄膜层将在与栅氧层接触的表面处产生电子反型层，原本晶体管中空穴居多的硅纳米薄膜在靠近栅介质层表面处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、光电器件等方面取得更为广泛的应用。

具体的制作工艺如下：

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，得到较为清洁的衬底。

b、采用磁控溅射在PET衬底上镀200nm厚ITO膜以及50nm厚TiO₂和50nm的Ta₂O₅作为底部介质栅层膜。

c、选用SOI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SOI。

d、在SOI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*10¹⁵cm^-2，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SOI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的氢氟酸(HF)溶液中，放入之前做好的SOI，两小时后SOI上的埋氧层将被腐蚀干净，随后硅纳米膜层将脱落，将硅纳米膜层转移到已经镀好ITO和栅介质层的柔性PET衬底之上，烘干。

g、在转移到PET上的硅纳米膜上涂胶，对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀的方式形成100nm的金属源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。