低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法与流程

本发明涉及二维材料和电化学传感器件制造技术领域，特别涉及微波退火工艺。

背景技术：

过去的几十年里，基于场效应晶体管的生物传感器，将化学信号转换为电信号测量，具有非标记，快速响应，低功耗，便携，利用微电子制造工艺实现低成本、大规模集成等优点，在生物，医学，工业制造，环境检测等领域得到了广泛的研究和应用。场效应晶体管的沟道材料通常有三维的体硅，二维的石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷，一维纳米结构的碳纳米管，硅基纳米线等。其中二维材料相比三维材料，由于平面结构有优异的静电特性，又比一维材料更加稳定，易于制造，特别是二硫化钼纳米片，开关电流比远高于石墨烯，禁带宽度可调，生物兼容，是理想的基于场效应晶体管的生物传感器沟道材料。二硫化钼薄膜可以达到原子层厚度，因此沟道载流子的输入特征对气体吸附十分敏感，产生电荷的转移，适合用于气体传感器。而在二硫化钼表面生长敏感介质层并功能化敏感膜表面可以进行不同的传感器检测应用。

随着纳米科学的进步，纳米材料也被广泛应用于生物或环境检测的传感器中。纳米材料具有优异的结构、催化和电化学特性，将纳米尺寸的金属、金属氧化物以及碳材料等与不同形貌的纳米材料如上述提到的一维、二维材料等组成纳米结构作为传感界面，可以显著提高电化学传感器的性能。例如，在二硫化钼表面修饰纳米金颗粒可以用于气体检测可以提高导电电流；在金电极上修饰二硫化钼/金纳米颗粒杂化结构，葡萄糖氧化酶在其上完成自组装可以实现葡萄糖检测；纳米金颗粒与寡核苷酸可以用于传感器的功能化，实现dna测序等。上述检测手段有用纳米结构修饰电极，测量电流或阻抗的方式，也有用薄膜晶体管测量电流等方式。对于薄膜晶体管，由于上述基于场效应晶体管的生物传感器优势，操作更加灵活方便，测试手段更加丰富，更加具有应用前景。将薄膜晶体管与纳米修饰材料结合，这样的纳米结构具有高灵敏度，高电子输运速度，低背景电流的特点，并且可以功能化敏感表面，实现传感测量需求，同时也使得测量过程更加简单、便捷。

合成纳米结构的方法通常过程复杂，不易控制。例如电化学刻蚀或金属颗粒的电沉积形成金属纳米颗粒，然而电化学方法制备纳米结构需要专业设备，操作复杂，成本高昂；金属颗粒的电沉积难于形成均匀覆盖纳米颗粒的表面，限制了传感过程中扩散或使得纳米颗粒间的扩散层重叠，影响输运。同样的，一些金属氧化物纳米结构例如氧化锌纳米颗粒，通常用粉末固体与分散液混合滴涂与器件表面形成功能化界面，然而器件的性能很难保证均匀一致。另外，也有物理工艺常采用热蒸发形成薄膜，随后高温热退火使得薄膜团聚形成纳米颗粒。这种物理工艺简单易行，但考虑到集成电路中的热预算，以及生物传感应用常用到塑料、环氧树脂等不耐高温的柔性材料，需要找到一种低温，有效地制备传感器并合成功能化纳米结构的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法，实现柔性衬底上制备功能化纳米结构，并提升器件传感检测性能，使得制备过程简单，降低制造成本。

本发明提供的低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法，具体步骤为：

提供非柔性衬底，在所述非柔性衬底上涂覆柔性材料前躯体，固化后形成器件柔性衬底；

在所述柔性衬底上形成图形化金属层一；

在所述图形化金属层一上方形成绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上方转移二维半导体薄膜作为器件的导电沟道；

在所述二维半导体薄膜上方形成图形化金属层二；

在所述二维半导体薄膜及图形化金属层二上方沉积修饰层材料；

采用微波退火工艺对器件进行低温退火处理；

将器件从所述非柔性衬底上分离开，得到柔性衬底上具有特定传感功能的器件。

本发明采用微波退火工艺低温进行处理，使功能层表面发生团聚，在传感界面形成功能化纳米结构，同时退火工艺也可以改善各层结构之间的界面特性。

可选的，所述非柔性衬底为单晶硅或玻璃等。

可选的，所述柔性材料为对温度有一定承受能力的有机物。例如，聚酰亚胺（pi）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）或环氧树脂。

可选的，所述绝缘介质层材质可以为一下任意一种：

氧化硅（sio2）、氧化铝（al2o3）以及高介电常数（high-k）栅介质等。

可选的，所述图形化金属层一、所述图形化金属层二的材质可以为金（au）、铝（al）等金属。

可选的，所述图形化金属层一的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上形成金属层；

在所述金属层上涂覆光阻，并对所述光阻进行曝光和显影，形成图形化光阻；

使用干法或湿法工艺刻蚀所述金属层，形成图形化金属层一。

可选的，所述图形化金属层一的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上使用带有图形的硬掩膜沉积金属，直接形成图形化金属层一。

可选的，所述图形化金属层一的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上形成金属层；

使用聚焦离子束直接对金属层进行刻蚀，形成图形化金属层一。

可选的，所述图形化金属层一的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上涂覆光阻；

对所述光阻进行曝光和显影，形成图形化的光阻；

在所述图形化光阻及柔性衬底上形成金属层；

采用剥离技术形成图形化金属层一。

可选的，所述图形化金属层二的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上形成金属层；

在所述金属层上涂覆光阻，并对所述光阻进行曝光和显影，形成图形化光阻；

使用干法或湿法工艺刻蚀所述金属层，形成图形化金属层二。

可选的，所述图形化金属层二的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上使用带有图形的硬掩膜沉积金属，直接形成图形化金属层二。

可选的，所述图形化金属层二的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上形成金属层；

使用聚焦离子束直接对金属层进行刻蚀，形成图形化金属层二。

可选的，所述图形化金属层二的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上涂覆光阻；

对所述光阻进行曝光和显影，形成图形化的光阻；

在所述图形化光阻及柔性衬底上形成金属层；

采用剥离技术形成图形化金属层二。

可选的，所述金属层一、金属层二可以通过溅射，热蒸发或电子束蒸发等任意一种方式形成。

可选的，所述功能层为以下任意一种：

金（au）、银（ag）等金属或氧化硅（sio2）氧化锌（zno）、氧化铝（al2o3）以及高介电常数（high-k）栅介质等。

可选的，所述二维半导体薄膜制备方法包括：固相法，液相法，气相法。

本发明利用微波退火工艺低温处理，一方面改善器件各层之间的界面特性，消除测试中由于界面缺陷造成的迟滞、漂移等现象；另一方面，借助功能层材料对微波的吸收作用，与在二维半导体薄膜界面处形成纳米结构的功能层，应用于不同场景的传感检测。微波退火工艺具有快速，低热预算，制造周期短，成本低廉等优点。

附图说明

图1为第一实施例中低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法工艺流程。

图2~图8为第二实施例中低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法。下面结合流程图1和示意图2~8具体说明。如图1所示，具体流程包含以下步骤：

步骤s1：如图2，提供一非柔性衬底101。

该非柔性衬底可以是单晶硅，玻璃等。

步骤s2：如图3，在上述非柔性衬底101上涂覆柔性衬底材料前驱体，固化后形成柔性衬底102，所述前躯体材料可以为聚酰亚胺（pi）、环氧树脂或聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）等。

优选的，选择聚酰亚胺（pi）作为柔性衬底前驱体材料，因为聚酰亚胺膜的耐热温度可以达到350℃左右。考虑到后续工艺制备中的热预算，需要采用对温度承受能力更高的材料。

步骤s3：如图4，在上述柔性衬底上形成图形化金属层一103。金属层一的材质可以为金（au）、铝（al）。

优选的，为了工艺和器件性能的稳定性，选择金（au）作为图形化金属层一103的材质。

形成图形化金属层一103的工艺步骤包括：

在柔性衬底102上涂覆光阻（图未示出），并对光阻进行曝光和显影，形成图形化光阻；

在所述图形化光阻和柔性衬底102上方采用溅射、热蒸发或电子束蒸发等任意一种方式沉积图形化金属层一103材质的金属层；

采用剥离工艺得到图形化金属层一103。

此外，图形化金属层一103也可以采用掩膜曝光刻蚀或先沉积金属层再进行光刻等方式实现，该技术为本领域技术人员所熟知的惯用技术手段，在此不作赘述。

步骤s4：如图5，在上述柔性衬底102及图形化金属层一103上形成绝缘介质层104。

所述绝缘介质层可以为氧化硅（sio2）、氧化铝（al2o3）以及高介电常数（high-k）栅介质等其中任意一种或几种堆叠组合，采用蒸发、溅射或化学气相淀积等工艺实现。

步骤s5：如图6，在上述绝缘介质层104上形成二维半导体薄膜105。所述二维半导体材料105可以是过渡金属硫化物如二硫化钼或黑磷，通过固相法、液相法、气相法均可以得到，该技术为本领域技术人员所熟知的惯用技术手段，在此不作赘述。

s6：如图7，在所述绝缘介质层104及所述二维半导体薄膜105上形成图形化金属层106。所述图形化金属层二106材质及制备工艺与上述图形化金属层一103相同，在此不再赘述。

s7：如图8，在所述二维半导体薄膜105及所述图形化金属层二106上形成功能层107。

所述功能层材质可以一下任意一种或几种的组合：

金（au）、银（ag）等金属或氧化硅（sio2）氧化锌（zno）、氧化铝（al2o3）以及高介电常数（high-k）栅介质等。

所述功能层107可以通过蒸发、溅射、或化学气相淀积、原子层淀积等方式形成，该技术为本领域技术人员所熟知的惯用技术手段，在此不作赘述。

s8：如图1，在形成上述图形化结构后，采用微波退火低温处理。

s9：将柔性衬底上的器件从非柔性衬底上分离下来，得到柔性衬底上的离子敏场效应晶体管。

其中，微波退火工艺可以根据反应腔体的形状、大小、材料等不同，存在不同的设计；例如结合所采用的微波频率以及反应腔体中的电磁波分布的不同，微波退火工艺也可以相应的进行调整，在此不作限定。此外，也可以根据腔体内的电磁波具有特定的空间分布，以及样品的置入对微波的分布等的影响进行相应的调节。微波退火工艺的输入能量，可以根据采用的实际材料情况的不同，可以有很大的变化范围，例如有效功率的变化范围可以是280w~4200w，甚至可以更大。微波退火工艺的时间通常极短，例如可以在数秒甚至1秒以内完成期望的效果，具体时间可以根据工艺需要来决定，在此同样不作限定。

本发明的第二实施方式同样涉及一种低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法。第二实施方式是在第一实施方式基础上做了改进，主要区别之处在于：在第一实施方式中，在完成所述所有图形化结构工艺后再采用微波退火低温工艺，主要目的是形成传感界面的纳米结构，借助材料对微波的吸收作用，表面自由能发生改变，材料的形貌和特性也会发生变化，导致团聚形成岛状或纳米颗粒，形成功能化传感界面，实现不同的传感应用；而在第二实施方式中，在形成所述图形化金属层二106之后，进行一步微波退火工艺，目的是改善所述绝缘介质层104与所述图形化金属层一103和所述二维半导体薄膜105之间的界面特性，以及改善所述二硫化钼105与所述图形化金属层层二106之间的界面特性，降低可能由界面缺陷和陷阱电荷引起的噪声，从工艺上消除迟滞，提高开关电流比，优化器件性能。

其中所述在形成所述图形化金属层二106之后的一步微波退火工艺由于与第一实施方式中的微波退火目的不同，与根据具体需要也有不同的设计，总共进行两步微波退火工艺。本实施方式在第一实施方式的基础上进行了相应改进，为获得功能化传感界面和优化的器件性能。第一实施方式中提到的技术细节再本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。