专利名称：薄膜晶体管的制备方法及顶栅极式薄膜晶体管的制作方法
技术领域：
本发明关于ー种薄膜晶体管的制备方法及顶栅极式薄膜晶体管，尤其是ー种使用单壁纳米碳管层作为通道层的薄膜晶体管的制备方法及顶栅极式薄膜晶体管。
背景技术：
自从1993年发现纳米碳管以来，其合成及应用的研究有如雨后春笋般展开。其中，日本东京大学丸山团队率先利用酒精催化化学气相沉积(ACCVD)制备出高纯度单壁纳米碳管。由于其制得的纳米碳管具有电性优良、制作エ艺简易及可以利用黄光光刻技术等优点，得以运用于各种光电元件之中，因此最受到学者重视。另ー方面，随着晶体管的制作エ艺技术发展及尺寸微缩，必须寻找新的材料来取代，以期继续符合未来使用需求。曾有团队研究利用将碳管以分散方式制作出P型单壁纳米碳管网晶体管，其开关比可达106且场效载子移动率可达7cm2/Vs。 大多数纳米碳管晶体管操作时大多为P型特性，这被归咎于纳米碳管暴露在大气之下，会自行与氧气结合所导致，而相关研究中也有利用退火、掺杂钾元素等方法以有效控制晶体管的N、P型操作。此外，H. Dai团队提出了碳管的半径与能隙大小及不同金属与碳管的功函数的调整会促使晶体管的特性改变的论点。IBM研究团队发现纳米碳管与电极的接面对功函数很敏感，在接面处会吸收氧气而造成接面金属功函数上升，功函数的上升会使负电压侧电子仍然可以通过，但相反的负电压侧的电洞由于接面势垒过高而被截止。在过去研究中，大多是针对单根碳管，对于纳米碳网晶体管的掺杂研究很少，而纳米碳管薄膜因制作エ艺简易、与IC制作エ艺兼容，可发展大面积制备的优势，将是未来新纳米晶体管的主流材料之一。曾有人提到半导体单壁纳米碳管若吸附氮气将会成为N型半导体特性，而吸附了氧气会成为P型特性。然而，发明人先前曾尝试直接对纳米碳管薄膜通入氮或氧气体并进行高温回火，结果发现会使元件特性(如，场效移动率及转移电导等)下降许多，且通过拉曼分析发现其G/D比值下降许多，亦即，直接对碳管薄膜回火会造成碳管薄膜结构损害，因此无法直接应用于薄膜晶体管的制作。因此，本领域需要开发出一种新的单壁纳米碳管的薄膜晶体管的制备方法，可将单壁纳米碳管的双极性改变成单极，而可利用单壁纳米碳管作为薄膜晶体管的通道层。
发明内容
由此，本发明提供了ー种薄膜晶体管的制备方法，包括步骤(A)提供一基板；(B)于该基板表面形成一源极电极、一漏极电极、以及一单壁纳米碳管层，其中源极电极与漏极电极相隔ー距离配置，且单壁纳米碳管层配置于源极电极与漏极电极之间；(C)于单壁纳米碳管层的表面形成一栅极氧化层；(D)以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的表面；以及(E)形成一栅极于栅极氧化层的表面；其中，步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的温度为500°C至600°C。本发明利用氮气与氧气回火的方法，于形成栅极氧化层于单壁纳米碳管层的表面后进行回火，通过调整不同的回火參数，将单壁纳米碳管的双极性改变成单极，制备成晶体管元件。详细地说，先覆盖栅极氧化层(如，HfOx)后，再进行回火，一方面可使栅极氧化层的介电常数増加，另ー方面氮或氧气体在回火过程中会滲透通过氧化层到达碳管使之改变特性。现有技术中，以氮或氧气体直接通入于纳米碳管薄膜会造成元件特性下降以及G/D比下降的现象，因此无法制作出具有优秀元件特性的薄膜晶体管。但相反地，本发明的技术不仅可維持纳米碳管薄膜的G/D比值，更可使元件特性(如转移电导、开关电流比、场效载子移动率等)増加，此为现有技术所无法达成的效果。本发明的薄膜晶体管的制备方法中，该栅极氧化层的材料较佳为氧化铪(HfOx)。本发明中利用如溅射的方法沉积氧化铪，于未回火状态下，单壁纳米碳管层元件呈现双极 性特性。而经由使用不同气体与不同參数针对栅极氧化层进行回火后，发现可有效抑制元件的双极性特性而变成単一极性晶体管，不仅如此，通过回火制作エ艺亦使得元件的其他特性増加，如转移电导、开关电流比、场效载子移动率等。最常作为碳管晶体管的栅极氧化层材料是ニ氧化硅(SiO2),因为材料容易取得且制作エ艺简単，但ニ氧化硅仅可单纯作为栅极氧化层，并无法使用其他气体使之明显提高其介电常数，而利用氮气或氧气回火吋，此两种气体无法再次与ニ氧化硅作用，氮或氧原子不会渗透至碳管，因此本发明中，较佳以氧化铪薄膜作为栅极氧化层。本发明的薄膜晶体管的制备方法中，栅极氧化层的厚度较佳可为5nm-30nm。本发明的薄膜晶体管的制备方法的步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的时间较佳可为30分钟至I小吋。本发明的薄膜晶体管的制备方法的步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的气体流速较佳可为IOOsccm至500sccm。配合所使用的高温真空炉管,真空回火制作エ艺时的压カ皆控制在lOtorr，因此流量不宜太大或太小。本发明的薄膜晶体管的制备方法中，利用氧气或氮气不同气体回火，对于元件极性的影响，经推測主要是由于两种气体原子分别在高温时渗透栅极氧化层而与碳管结合，使碳管半导体电性改变(变成η或P)，因而使得整个元件的特性也因此改变。本发明的薄膜晶体管的制备方法的步骤(B)中，单壁纳米碳管层较佳可经由以下步骤形成(BI)将多个含金属的纳米颗粒放入于ー溶剂中以形成一催化剂；(Β2)将该步骤(A)所提供的基板浸泡于该催化剂中；(Β3)将该经浸泡后的基板拿出，并将该基板进行煅烧处理；以及(Β4)加热该经煅烧处理后的基板，并同时提供一醇类的成长气源，使借助该醇类的成长气源于该基板的表面形成多个单璧纳米碳管，其中，该多个单璧纳米碳管互相连接形成网状结构的单壁纳米碳管层。上述步骤(Β4)中，醇类的成长气源较佳可选自甲醇、こ醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、及其混合所组成的群组。上述步骤(BI)中，多个含金属的纳米颗粒的金属较佳可选自钴、钥、及其混合所组成的群组。上述步骤(Β4)中，加热该基板的温度较佳可为600°C至900°C。上述步骤(B3)中，煅烧处理的温度较佳可为320°C至480°C。此夕卜，上述步骤(B3)与步骤(B4)之间，较佳可更包括ー步骤(B3’ ):提供一氨气以进行还原反应。另外，上述步骤(BI)中，溶剂较佳可选自こ醇、甲醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、及其混合溶液所组成的群组。步骤(B4)所形成的单壁纳米碳管层经由拉曼散射光谱(Raman Scattering Spectrum)分析后,所得到的G/D比值较佳可为10至25。本发明的薄膜晶体管的制备方法中，多个单璧纳米碳管较佳以ACCVD机台成长形成。本发明的薄膜晶体管的制备方法的步骤(B)中，单壁纳米碳管层较佳可作为一通道层，且单壁纳米碳管层的厚度较佳可为IOOnm至400nm。本发明的薄膜晶体管的制备方法中，栅极氧化层较佳使用溅射方式形成。本发明的薄膜晶体管的制备方法中，所使用的基板的材质无特殊限制，例如可为玻璃、石英、塑料、硅等。 本发明另提供ー种顶栅极(top-gate)式薄膜晶体管，包括一基板；一源极电极与一漏极电极，相隔ー距离配置于该基板表面；一单壁纳米碳管层，包括有互相连接形成一网状结构的多个单璧纳米碳管，该单壁纳米碳管层配置于该源极电极与该漏极电极之间，且设置于该基板表面；ー栅极氧化层，配置于该单壁纳米碳管层的表面，并覆盖部分该源极电极与部分该漏极电极；以及ー栅极，配置于该栅极氧化层的表面。本发明利用氮气与氧气回火的技术，于形成栅极氧化层于单壁纳米碳管层的表面后进行回火，通过调整不同的回火參数，将单壁纳米碳管的双极性改变成单极，制作出顶栅极式薄膜晶体管元件。现有技术中，以氮或氧气体直接通入于纳米碳管薄膜会造成元件特性下降以及G/D比下降的现象，因此无法得到具有单壁纳米碳管层配置于源极电极与漏极电极之间的顶栅极式薄膜晶体管。但相反地，本发明的技术所提供的顶栅极式薄膜晶体管可維持纳米碳管薄膜的G/D比值，更可使元件特性(如转移电导、开关电流比、场效载子移动率等)増加，此为现有技术所无法达成的效果。本发明的顶栅极式薄膜晶体管中，该栅极氧化层的材料较佳可选自氧化铪(HfOx)、氮氧化铪(HfOxNy)、及其混合所组成的群组。本发明的顶栅极式薄膜晶体管中，该单壁纳米碳管层经由拉曼散射光谱(RamanScattering Spectrum)分析后,所得到的G/D比值较佳可为10至25。本发明的顶栅极式薄膜晶体管中，该单壁纳米碳管层较佳可作为一通道层。本发明的顶栅极式薄膜晶体管中，该单壁纳米碳管层的厚度较佳可为IOOnm至400nmo
图IA-图ID为本发明实施例I的顶栅极式薄膜晶体管的制备流程图。图2为本发明实施例1-3以及对照组I所制得的顶栅极式薄膜晶体管的元件测试结果。图3为本发明实施例4-6以及对照组2所制得的顶栅极式薄膜晶体管的元件测试结果。图4为未经回火处理的单壁纳米碳管薄膜晶体管的Ids-Vgs特性图。图5为未经回火处理的单壁纳米碳管薄膜晶体管的N型操作时的Ids-Vds特性图。
主要元件符号说明I顶栅极式薄膜晶体管11硅基板12 ニ氧化硅层13单壁纳米碳管薄膜14漏极电极15源极电极
16氧化铪层17 栅极
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。[实施例I]如图IA所示，首先提供一表面具有ニ氧化硅层12的硅基板11 (步骤A)，并于此硅基板11上，以ACCVD仪器沉积成长厚度约200nm的单壁纳米碳管薄膜13，并利用黄光光刻及干蚀刻技术图案化定义出单壁纳米碳管薄膜13的晶体管信道区域(步骤B)。接着，如图IB所示，以剥离(lift-off)光刻技木，以金属蒸镀系统沉积作为漏极(drain)电极14与源极(source)电极15的电极金属层(20nm的金/300nm的钛)。之后以派射机沉积厚度约IOnm的氧化铪层(HfOx) 16，以做为晶体管的栅极氧化层，如图IC所示(步骤C)。之后，以黄光光刻技术及干蚀刻技术蚀刻氧化铪层16并开出漏极电极14与源极电极15电极的接触孔(contact hole)(图未不)。接着,于550°C的温度，以IOtorr的压力、IOOsccm的流量,氧气回火处理该氧化铪层16的表面30分钟(步骤D)。在此，氧化铪层16于经高温氧气回火时，氧原子在高温时滲透栅极氧化层而与碳管结合，使碳管半导体电性改变，因而使得整个元件的特性也因此改变，而使单壁纳米碳管薄膜13具有作为通道层的性质。最后，再次利用剥离光刻技术，沉积金属栅极16，完成整个元件的制作エ艺(步骤E)，而得到本实施例的顶栅极式薄膜晶体管I。本发明中，步骤B的单壁纳米碳管薄膜13经由以下步骤形成(BI)将多个含金属的纳米颗粒(在此使用醋酸钴粉末、以及醋酸钥粉末)放入于ー溶剂中以形成一催化剂，在此溶剂使用こ醇，且醋酸钴以及醋酸钥与こ醇的比例为[醋酸钴以及醋酸钥こ醇]=
O.01wt%。接着，(B2)将硅基板11浸泡于该催化剂中，使硅基板11表面附着有催化剂。而后，(B3)将该经浸泡后的硅基板11拿出，并将该硅基板11进行煅烧处理，其中煅烧温度为400°C。然后，(B3’)提供氨气与氩气以使经煅烧后的硅基板11表面进行还原反应，还原反应在氨气/氩气为30/200sccm、温度为350°C至750°C、以及压カ为15_20torr的条件中进行。接着，(B4)加热该经煅烧与还原处理后的基板至750°C，并同时提供ー醇类的成长气源(在此是使用纯度为99. 9%以上的こ醇，压カ为690torr，温度为50°C )，使借助该醇类的成长气源于该基板的表面形成多个单璧纳米碳管(成长时间为10分钟，使用ACCVD仪器)，其中，该多个单璧纳米碳管互相连接形成ー网状结构的薄膜，且该网状结构薄膜的厚度约为200nm。如图ID所示，本实施例的顶栅极式薄膜晶体管I包括有硅基板11，其表面具有一二氧化硅层12 ;源极电极15与漏极电极14，相隔ー距离配置于硅基板11表面；单壁纳米碳管薄膜13，包括有互相连接形成一网状结构的多个单璧纳米碳管(图未示)，该单壁纳米碳管薄膜13配置于源极电极15与漏极电极14之间，且设置于硅基板11表面；氧化铪层16的栅极氧化层，配置于单壁纳米碳管薄膜13的表面，并覆盖部分源极电极15与漏极电极14 ;与门极17，配置于氧化铪层16的表面。[实施例2]以如同实施例I的相同方法制备顶栅极式薄膜晶体管，但步骤D中氧气回火处理所使用的氧气流量为300sccm,而非lOOsccm。 [实施例3]以如同实施例I的相同方法制备顶栅极式薄膜晶体管，但步骤D中氧气回火处理所使用的氧气流量为500sccm，而非lOOsccm，且时间为60分钟，而非30分钟。[对照组I]以如同实施例I的相同方法制备顶栅极式薄膜晶体管，但省略步骤D，亦即不进行氧气回火处理。将实施例1-3以及对照组I所制得的顶栅极式薄膜晶体管进行元件测试(P型FET操作測量)，所得到的结果如图2以及下表I所示。[表 I]
P型FET操作测量转移电导场效载子移动率I开/关电流比
Transconductance) (cnr/￥s, lield-eftect (On-Off
mobility)Current Ratio)
对照组I3.252.74 IO5
( 回火处it)」LL
权利要求
1.一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤 (A)提供一基板； (B)于该基板表面形成一源极电极、一漏极电极、以及一单壁纳米碳管层，该源极电极与该漏极电极相隔一距离配置，且该单壁纳米碳管层配置于该源极电极与该漏极电极之间； (C)于该单壁纳米碳管层的表面形成一栅极氧化层； (D)以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的表面；以及 (E)形成一栅极于该栅极氧化层的表面； 其中，该步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的温度为500°C至600°C。
2.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该栅极氧化层的材料为氧化铪(HfOx)。
3.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该步骤(C)中，该栅极氧化层的厚度为5nm-30nm。
4.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的时间为30分钟至I小时。
5.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的气体流速为IOOsccm至500sccm。
6.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该步骤(B)中，该单壁纳米碳管层经由以下步骤形成=(Bl)将多个含金属的纳米颗粒放入于一溶剂中以形成一催化剂；(B2)将该步骤(A)所提供的基板浸泡于该催化剂中；(B3)将该经浸泡后的基板拿出，并将该基板进行煅烧处理；以及(B4)加热该经煅烧处理后的基板，并同时提供一醇类的成长气源，使借助该醇类的成长气源于该基板的表面形成多个单璧纳米碳管，其中，该多个单璧纳米碳管互相连接形成网状结构的该单壁纳米碳管层。
7.如权利要求6所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，该步骤(B4)中，该醇类的成长气源选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、及其混合所组成的群组。
8.如权利要求6所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，该步骤(BI)中，该多个含金属的纳米颗粒的金属选自钴、钥、及其混合所组成的群组。
9.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该步骤(B)中，该单壁纳米碳管层作为一通道层。
10.如权利要求I所述的薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其中，该步骤(B)中，该单壁纳米碳管层的厚度为IOOnm至400nm。
11.一种顶栅极(top-gate)式薄膜晶体管，其特征在于，包括 一基板； 一源极电极与一漏极电极，相隔一距离配置于该基板表面； 一单壁纳米碳管层，包括有互相连接形成一网状结构的多个单璧纳米碳管，该单壁纳米碳管层配置于该源极电极与该漏极电极之间，且设置于该基板表面； 一栅极氧化层，配置于该单壁纳米碳管层的表面，并覆盖部分该源极电极与部分该漏极电极；以及 一栅极，配置于该栅极氧化层的表面。
12.如权利要求11所述的顶栅极式薄膜晶体管，其特征在于，其中，该栅极氧化层的材料选自氧化铪(HfOx)、氮氧化铪(HfOxNy)、及其混合所组成的群组。
13.如权利要求11所述的顶栅极式薄膜晶体管，其特征在于，其中，该单壁纳米碳管层经由拉曼散射光谱(Raman Scattering Spectrum)分析后,所得到的G/D比值为10至25。
14.如权利要求11所述的顶栅极式薄膜晶体管，其特征在于，其中，该单壁纳米碳管层作为一通道层。
15.如权利要求11所述的顶栅极式薄膜晶体管，其特征在于，其中，该单壁纳米碳管层的厚度为IOOnm至400nm。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜晶体管的制备方法及顶栅极式薄膜晶体管，本发明的薄膜晶体管的制备方法包括步骤(A)提供一基板；(B)于该基板表面形成一源极电极、一漏极电极、以及一单壁纳米碳管层，该源极电极与该漏极电极相隔一距离配置，且该单壁纳米碳管层配置于该源极电极与该漏极电极之间；(C)于该单壁纳米碳管层的表面形成一栅极氧化层；(D)以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的表面；以及(E)形成一栅极于该栅极氧化层的表面；其中，该步骤(D)中，以氧气或氮气回火处理该栅极氧化层的温度为500℃至600℃。
文档编号H01L29/16GK102856169SQ201210136709
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者高骐, 萧铉桦, 郑百胜 申请人:高骐