晶体管阈值电压调节方法及反相器制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，且特别涉及一种基于金属氧化物薄膜晶体管的晶体管阈值电压调节方法及反相器制备方法。

背景技术：

现有的晶体管反相器根据负载不同可以分为饱和型反相器(E/E反相器)和耗尽型反相器(E/D反相器)。图1所示为饱和型反相器，其中M_L管为由增强型MOS管组成的负载管，M_I管为由增强型MOS管组成的驱动管。如图2所示，曲线m1为输出特性曲线，m2为输入特性曲线。当Vi为V_OL(低电平)时，M_I管截止，M_L管非饱和，Vo＝V_DD-V_THL，输出电压存在损失，输出特性曲线平缓。图3所示为耗尽型反相器(E/D反相器)，M_D管为由耗尽型MOS管组成的负载管，M_E管为由增强型MOS管组成的驱动管。图2所示为耗尽型反相器的输入输出曲线，其中m3为输出特性曲线，m4为输入特性曲线。当Vi为V_OL(低电平)时，M_D管截止，M_E管非饱和，Vo＝V_DD，即相比饱和型MOS反相器，耗尽型反相器输出电压没有损失，输出特性曲线陡峭，输出电压摆幅大，具有明显的突变性。然而，相比饱和型反相器，耗尽型反相器存在制造工艺复杂，制造成本高的问题。

随着金属氧化物薄膜晶体管的不断发展，相比传统的非晶硅和多晶硅晶体管相比，其具有：在低温下(可低至室温)生长薄膜，并获得非常平滑的表面，可以做在柔性、玻璃等基底上面，材料成本低，电学性能好等优点。现有的金属氧化物薄膜晶体管当栅漏短接形成E/D反相器结构时，由于金属氧化物薄膜晶体管会一直处于关断状态，从而使得方向器无法正常工作。因此需要调节金属氧化物薄膜晶体管的阈值电压，使其能在栅漏短接时进入饱和区。

虽然到目前为止有不少方法可以用来调控薄膜晶体管的阈值电压和工作模式，如化学掺杂、沟道沉积时的氧压调控、使用双层沟道以及使用不同的金属栅电极等，但是这些技术的制备工艺十分复杂，成本相对较高，

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种金属氧化物薄膜晶体管阈值电压调节方法及金属氧化物薄膜晶体管反相器的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种金属氧化物薄膜晶体管反相器的制备方法，包括：

提供一衬底；

在衬底上形成组成反相器的两个金属氧化物薄膜晶体管的漏源区；

在形成漏源区的衬底上形成两个金属氧化物薄膜晶体管的有源层；

在漏源区和有源层上形成绝缘层；

在绝缘层上与有源层相对应的位置上形成栅极；

在形成栅极的衬底上沉积掩蔽层，经刻蚀后暴露出其中一个金属氧化物薄膜晶体管的有源层所对应的区域；

对暴露出的其中一个金属氧化物薄膜晶体管的有源层所对应的区域进行气体离子注入；

去除掩蔽层。

于本发明一实施例中，当进行气体离子注入时，注入的功率大于等于1瓦且小于或等于100瓦，注入的时间大于或等于1分钟且小于或等于60分钟。

于本发明一实施例中，注入的气体离子为氮气、氢气、氧气、氟气、硅烷、一氧化二氮、氨气、氩气、氦气以及四氟化硫中一种或几种的结合。

于本发明一实施例中，所述衬底为柔性衬底。

于本发明一实施例中，所述漏源区由金属导电材料、导电金属氧化物、石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纳米线中的任一种制成。

于本发明一实施例中，所述栅极由ITO、Al、Au、Ni、Cu、Cr、Ti、Ag或Zn中的任一种或几种的合金，或导电金属氧化物制成。

于本发明一实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积对暴露出的其中一个金属氧化物薄膜晶体管的有源层所对应的区域进行气体离子注入。

本发明另一方面还提供一种金属氧化物薄膜晶体管阈值电压调节方法，包括：

在制备完成的金属氧化物薄膜晶体管上沉积掩蔽层，经刻蚀后暴露出有源层所对应的区域；

对暴露出的有源层所对应的区域进行气体离子注入；

去除掩蔽层。

于本发明一实施例中，当进行气体离子注入时，注入的功率大于等于1瓦且小于或等于100瓦，注入的时间大于或等于1分钟且小于或等于60分钟。

于本发明一实施例中，注入的气体离子为氮气、氢气、氧气、氟气、硅烷、一氧化二氮、氨气、氩气、氦气以及四氟化硫中一种或几种的结合。

综上所述，本发明提供的金属氧化物薄膜晶体管阈值电压调节方法及金属氧化物薄膜晶体管反相器的制备方法与现有技术相比，具有以下优点：

通过对金属氧化物薄膜晶体管的有源层所对应的区域进行高能量的气体离子注入，注入的高能量气体离子与有源层内的原子发生碰撞，使有源层内的原子被电离，不仅改变有源层内的晶相结构，同时还增大了有源层的载流子浓度，进而大大提高了有源层内在载流子的迁移率，减小了金属氧化物薄膜晶体管阈值电压，达到调整阈值电压的目的。本发明提供的金属氧化物薄膜晶体管的阈值电压调节方法相较于传统的阈值电压调节方法，不仅调节所需的工艺步骤简单成本低且只要通过控制气体离子注入的功率和时间即可达到精确调节阈值电压的目的。

金属氧化物薄膜晶体管阈值电压的调节使得其组成的反相器中，负载管能在栅源短路的情况下有源层内就有足够的载流子来形成导电沟道来使得负载管能工作在饱和区，从而保证了反相器的正常工作，使得反相器能具有陡峭的电流电压输出特性曲线，输出电压的高低电平摆幅大，容错少，不容易造成逻辑混乱。进一步的，相较于传统的饱和型反相器，本发明提供的由金属氧化物薄膜晶体管组成的反相器功耗可降低一个数量级。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为饱和型反相器的电路原理图。

图2所示为图1所示的饱和型反相器的电流电压输出特性曲线。

图3所示为耗尽型反相器的电路原理图。

图4所示为图1所示的耗尽型反相器的电流电压输出特性曲线。

图5a至图5g所示为本发明一实施例提供的金属氧化物薄膜晶体管反相器的制备方法。

图6所示为本发明一实施例提供的金属氧化物薄膜晶体管阈值电压调节方法。

具体实施方式

相比传统的饱和型反相器，耗尽型反相器具有陡峭的电流电压输出特性曲线，这将使得耗尽型反相器的输出容错性更好。然而，由于受耗尽型反相器中耗尽型MOS管的工艺限制，相比饱和型反相器，耗尽型反相器的制造工艺更加复杂，制造成本高，者也限制了耗尽型反相器的应用。有鉴于此，本实施例提 供一种有金属氧化物薄膜晶体管组成的且结构与耗尽型反相器(图3所示)相类似的反相器。本实施例提供的金属氧化物薄膜晶体管反相器的电流电压输出特性曲线与传统的耗尽型的反相器的电流电压输出特性曲线相同，如图4所示。

如图5a至5g所示，本实施例提供的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法包括：

首先，提供一衬底1。于本实施例，衬底1为柔性衬底。优选的，为剥离衬底。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，衬底1可为PET等其它柔性衬底或非柔性衬底。

其次，在衬底1上形成组成反相器的两个金属氧化物薄膜晶体管的漏源区2。具体的漏源区2的形成方法为：在衬底1上沉积一层导电薄膜，经刻蚀或剥离后形成漏源区2。于本实施例中，导电薄膜为低成本的铝薄膜。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，导电薄膜可为铜或铁等金属导电材料，或导电金属氧化物、或者为石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纳米线中的任一种。

接着，在形成漏源区2的衬底上形成两个金属氧化物薄膜晶体管的有源层3。具体的形成方法为：在形成漏源区2的衬底上沉积一层金属氧化物半导体薄膜，经刻蚀或剥离后形成有源层3。

进一步的，在漏源区和有源层上沉积一层金属氧化物薄膜，经刻蚀或剥离后形成绝缘层4。

进一步的，在绝缘层4上与有源层3相对应的位置上形成栅极5。于本实施例中，栅极5由金属铝(Al)制成。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，栅极5可由ITO、Au、Ni、Cu、Cr、Ti、Ag或Zn中的任一种或几种的合金制成，或由导电金属氧化物制成。

上述过程完成了有两个金属氧化物薄膜晶体管所组成的反相器的结构上的制备，以下对反相器中作为负载管的金属氧化物薄膜晶体管的阈值电压进行调整。

具体为，在形成栅极的衬底1上沉积掩蔽层6，经刻蚀后暴露出其中一个金属氧化物薄膜晶体管(负载管)的有源层所对应的区域。于本实施例中，掩蔽层为光刻胶。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可采用二氧化硅与光刻胶的结合或二氧化氮与光刻胶的结合来作为掩蔽层。

接着，对暴露出的其中一个金属氧化物薄膜晶体管(负载管)的有源层所对应的区域进行气体离子注入，如图5g中箭头所示。于本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法来进行高能量的气体离子注入，注入的气体为氮气。 然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可采用氢气、氧气、氟气、硅烷、一氧化二氮、氨气、氩气、氦气以及四氟化硫中一种或几种的结合作为注入气体且注入的方式也可为其它类型。高能量的气体离子注入有源层3后，不仅改变了有源层的晶相，同时注入的高能气体离子会和有源层内的原子发生碰撞，使得有源层内的原子发生电离，从而提高了有源层内的载流子的浓度，进而提高了有源层内载流子的迁移率，达到降低金属氧化物薄膜晶体管阈值电压的目的。该结构的金属氧化物薄膜晶体管与传统的耗尽型MOS管的结构相类似，当栅极和源极短路时，有源层内大量的载流子形成了导电沟道，该设置使得当输入Vi为低电平时，负载管能迅速的进入饱和区，使得反相器的具有陡峭的电流电压输出特性曲线。

实验证明，当注入功率为5瓦，注入时间为3分钟的时候，负载管的阈值电压与高能气体例子注入前相比减小了0.2伏。当注入功率为10瓦，注入时间为7分钟的时候，负载管的阈值电压与高能气体例子注入前相比减小了1.2伏；当注入功率为25瓦，注入时间为10分钟的时候，负载管的阈值电压与高能气体例子注入前相比减小了2.7伏。因此，优选的，设置在进行气体离子注入时，注入的功率大于等于1瓦且小于或等于100瓦，注入的时间大于或等于1分钟且小于或等于60分钟。然而，本发明对注入的条件不作任何限定。于其它实施例中，可根据需要调节的阈值电压的大小来控制高能气体离子注入的功率和时间。

最后，去除掩蔽层6，形成如图5e所示的结构，完成整个反相器的制备。

本实施例提供的金属金属氧化物薄膜晶体管所组成的反相器中，通过对负载管阈值电压的调整来实现了反相器的正常工作且使得反相器的输出能具有很好的特性曲线。然而，本发明并不限定该种阈值电压调节方法仅用于反相器中。因此，本实施例还提供了一种金属氧化物薄膜晶体管阈值电压调节方法。该调节方法包括：

步骤S1，在制备完成的金属氧化物薄膜晶体管上沉积掩蔽层，经刻蚀后暴露出有源层所对应的区域。于本实施例中，掩蔽层为光刻胶。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可采用二氧化硅与光刻胶的结合或二氧化氮与光刻胶的结合来作为掩蔽层。

步骤S2，对暴露出的有源层所对应的区域进行气体离子注入。于本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法来进行高能量的气体离子注入，注入的气体为氮气。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可采用氢气、 氧气、氟气、硅烷、一氧化二氮、氨气、氩气、氦气以及四氟化硫中一种或几种的结合作为注入气体且注入的方式也可为其它类型。高能量的气体离子注入有源层3后，不仅改变了有源层的晶相，同时注入的高能气体离子会和有源层内的原子发生碰撞，使得有源层内的原子发生电离，从而提高了有源层内的载流子的浓度，进而提高了有源层内载流子的迁移率，达到降低金属氧化物薄膜晶体管阈值电压的目的。该结构的金属氧化物薄膜晶体管与传统的耗尽型MOS管的结构相类似，当栅极和源极短路时，有源层内大量的载流子形成了导电沟道，该设置使得当输入Vi为低电平时，负载管能迅速的进入饱和区，使得反相器的具有陡峭的电流电压输出特性曲线。

实验证明，当注入功率为5瓦，注入时间为3分钟的时候，负载管的阈值电压与高能气体例子注入前相比减小了0.2伏。当注入功率为10瓦，注入时间为7分钟的时候，负载管的阈值电压与高能气体例子注入前相比减小了1.2伏；当注入功率为25瓦，注入时间为10分钟的时候，负载管的阈值电压与高能气体例子注入前相比减小了2.7伏。因此，优选的，设置在进行气体离子注入时，注入的功率大于等于1瓦且小于或等于100瓦，注入的时间大于或等于1分钟且小于或等于60分钟。然而，本发明对注入的条件不作任何限定。于其它实施例中，可根据需要调节的阈值电压的大小来控制高能气体离子注入的功率和时间。

步骤S3，去除掩蔽层。

综上所述，本发明提供的金属氧化物薄膜晶体管阈值电压调节方法及金属氧化物薄膜晶体管反相器的制备方法与现有技术相比，具有以下优点：

通过对金属氧化物薄膜晶体管的有源层所对应的区域进行高能量的气体离子注入，注入的高能量气体离子与有源层内的原子发生碰撞，使有源层内的原子被电离，不仅改变有源层内的晶相结构，同时还增大了有源层的载流子浓度，进而大大提高了有源层内在载流子的迁移率，减小了金属氧化物薄膜晶体管阈值电压，达到调整阈值电压的目的。本发明提供的金属氧化物薄膜晶体管的阈值电压调节方法相较于传统的阈值电压调节方法，不仅调节所需的工艺步骤简单成本低且只要通过控制气体离子注入的功率和时间即可达到精确调节阈值电压的目的。

金属氧化物薄膜晶体管阈值电压的调节使得其组成的反相器中，负载管能在栅源短路的情况下有源层内就有足够的载流子来形成导电沟道来使得负载管能工作在饱和区，从而保证了反相器的正常工作，使得反相器能具有陡峭的电 流电压输出特性曲线，输出电压的高低电平摆幅大，容错少，不容易造成逻辑混乱。进一步的，相较于传统的饱和型反相器，本发明提供的由金属氧化物薄膜晶体管组成的反相器功耗可降低一个数量级。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。