调控金属氧化物薄膜晶体管反相器阈值电压的方法与流程

本发明涉及半导体工艺技术领域，特别涉及一种调控金属氧化物薄膜晶体管反相器阈值电压的方法。

背景技术：

由于RFID(电子标签)的非接触性、各项同性等特点，它可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，使用电子标签可以极大地提高物流分拣的效率。目前传统的硅基电子标签，在快递公司为提升市场竞争力而降低生产成本的背景下，价格难以降低到快递公司可以接受的范围之内。而无机薄膜晶体管中的金属氧化物薄膜晶体管恰恰可以满足低价产业化的要求，它具有诸多优点：工艺温度低(可低至室温)、可以做在柔性基底、材料成本低、可回收利用、电学性能好等等，正好满足我们对低成本电子标签的要求。

反相器作为低成本电子标签重要的组成部分，在研发金属氧化物薄膜晶体管RFID过程中遇到了许多难题，而基于金属氧化物薄膜半导体晶体管的反相器阈值电压即是其中之一，金属氧化物薄膜晶体管反相器输出的阈值电压差异不明显，不能达到产品的性能要求，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，因此，开发一种相对简单工艺获得金属氧化物薄膜晶体管并实现对其阈值电压的调控，具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种调控金属氧化物薄膜晶体管反相器阈值电压的方法，目的在于通过改变栅极厚度方式得到具有较大差异的阈值电压，从而实现对阈值电压的调控。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种调控金属氧化物薄膜晶体管反相器阈值电压的方法，包括以下步骤：

在柔性衬底上沉积一层导电薄膜形成源区和漏区；

在所述源区和所述漏区上沉积一层金属氧化物薄膜，并刻蚀形成有源层；

在所述有源层上沉积一层金属氧化物薄膜，并刻蚀形成绝缘层；

在所述绝缘层上沉积形成栅极，在栅极沉积形成过程中分两次进行，第一次沉积厚度为20nm～200nm，第二次沉积厚度为200nm～1μm；

在栅极形成后进行O₂退火，退火温度为200℃～600℃。

作为一种实施方式，通过调控第一有源区和第二有源区的长度来减小有源层的面积。

作为一种实施方式，所述第一有源区的长边左右对称设置，左边和右边的长度为5～20μm。

作为一种实施方式，所述第二有源区的长边左右对称设置，左边和右边的长度为2～5μm。

作为一种实施方式，所述第一次沉积栅极厚度为100nm，第二次沉积栅极厚度为200nm，O₂退火温度为400℃。

作为一种实施方式，所述第一次沉积栅极厚度为100nm，第二次沉积栅极厚度为400nm，O₂退火温度为400℃。

作为一种实施方式，所述第一次沉积栅极厚度为100nm，第二次沉积栅极厚度为400nm，O₂退火温度为600℃。

作为一种实施方式，第一次沉积和第二次沉积均采用磁控溅射法。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：在退火情况下控制栅极厚度，改变有源区的面积调节阈值电压，简单方便、易于控制；反相器输出的阈值电压差异明显、容错少，不易造成逻辑混乱；方应速度快，响应时间短；漏电电流小，功耗低，相比于一般的饱和负载管反相器，功耗约小一个量级。

附图说明

图1a为本发明的步骤S100时的金属氧化物薄膜晶体管反相器的截面图；

图1b为本发明的步骤S101时的金属氧化物薄膜晶体管反相器的截面图；

图1c为本发明的步骤S102时的金属氧化物薄膜晶体管反相器的截面图；

图1d为本发明的步骤S103第一次沉积时的金属氧化物薄膜晶体管反相器的截面图；

图1e为本发明的步骤S103第二次沉积时的金属氧化物薄膜晶体管反相器的截面图；

图1f为本发明的步骤S104时的金属氧化物薄膜晶体管反相器的截面图；

图2为本发明的金属氧化物薄膜晶体管反相器的掩膜版图；

图3为本发明调控金属氧化物薄膜晶体管反相器阈值电压的方法的流程图。

附图标注：1、柔性衬底；2、源区；3、漏区；4、源区；5、有源层；6、绝缘层；7、栅极；8、栅极。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

如图3所示，一种调控金属氧化物薄膜晶体管反相器阈值电压的方法，包括以下步骤：

S100：如图1a所示，在柔性衬底1上沉积一层导电薄膜形成源区(2或4)和漏区3(具体位置视反相器类型，也可3为源区，2和4为漏区)，柔性衬底1为玻璃/PET等，该导电薄膜为低成本的铝、铜、铁等金属材料或石墨、石墨烯、碳纳米管/线等材料；

S101：如图1b所示，在图1a所示的结构上沉积一层金属氧化物薄膜，并刻蚀形成有源层5，其材料为氧化锌等；

S102：如图1c所示，在图1b所示的结构上沉积一层金属氧化物薄膜，并刻蚀形成绝缘层6；

S103：如图1d和1e所示，在图1c所示的结构上沉积形成栅极，在栅极沉积形成过程中分两次进行。第一次在图1c所示的结构上沉积厚度为20nm～200nm，沉积该层的材料可为ITO/AI/AU/Ni/Cu/Cr/Ti等；第二次在图1d所示的结构上沉积厚度为200nm～1μm，沉积该层的材料可为ITO/AI/AU/Ni/Cu/Cr/Ti等，在本实施例中，第一次沉积和第二次沉积均采用磁控溅射法，由于二次沉积的厚度不同，所以在工艺生产的过程中分两次进行溅射。

S104：如图1f所示，在图1e所示结构形成后进行O₂退火，退火温度为200℃～600℃。

栅极厚度是影响阈值电压的重要因素，在O₂退火的过程中，栅极厚度越薄，O₂在退火温度的作用下作为氧源能充分地修复薄膜中的氧空位，有效地减小缺陷密度，从而改善薄膜结构的作用，降低薄膜载流子的浓度，最终实现对阈值电压的调控。因此，在本实施例中，减少以往栅极厚度，可获得具有较大差异的阈值电压。

当第一次沉积栅极7厚度为100nm，第二次沉积栅极8厚度为200nm，O₂退火温度为400℃时，阈值电压呈现良好的负向偏移，数值为-2；当第一次沉积栅极7厚度为100nm，第二次沉积栅极8厚度为400nm，O₂退火温度为400℃时，阈值电压数值为-3v；当第一次沉积栅极7厚度为100nm，第二次沉积栅极8厚度为400nm，O₂退火温度为600℃时，阈值电压数值为-2v。由此可见，在O₂退火条件下，调控栅极厚度产生了积极地影响。

如图2所示，其中长方形区域即为金属氧化物半导体有源层5，有源层5包括第一有源区和第二有源区，其中面积较大的第一有源区，面积较小的为第二有源区，在其他条件不变情况下，通过调控L12、Lab和L34、Lcd的长度(其中L12＝Lab，Lcd＝L34)来改变有源层5面积的大小，调控方式采用刻蚀的方法，继而影响反相器阈值电压的输出。在本实施中，通过调控减小L12、Lab和L34、Lcd的长度，使L12和Lab的长度为5-20μm，L34和Lcd的长度为2-5μm，从而减小金属氧化物半导体有源层5的面积。减小金属氧化物半导体有源层5面积可减少漏电电流，继而获得较大差异的阈值电压。

在实施例中，当第二有源区面积为15×50平方微米，第一有源区面积为20×35平方微米时，阈值电压为-1v；当第二有源区面积为15×50平方微米，第一有源区面积为30×35平方微米时，阈值电压为-1.2v；当第二有源区为25×50平方微米，第一有源区面积为20×35平方微米时，阈值电压为-1.4v。实验结果显示，调控有源层5的面积对阈值电压有积极的影响。

在以下几组实施例中，当第一次沉积栅极7厚度为100nm，第二次沉积栅极8厚度为200nm，O₂退火温度为400℃，第二有源区面积为15×50平方微米，第一有源区面积为20×35平方微米时，阈值电压为-3v；当第一次沉积栅极7厚度为100nm，第二次沉积栅极8厚度为400nm，O₂退火温度为400℃，第二有源区面积为15×50平方微米，第一有源区面积为30×35平方微米时，阈值电压数值为-4.2v；当第一次沉积栅极7厚度为100nm，第二次沉积栅极8厚度为400nm，O₂退火温度为600℃，第二有源区面积为25×50平方微米，第一有源区面积为20×35平方微米时，阈值电压为-3.3v。实验结果显示：在改变栅极厚度的基础上调控有源层5面积，对反相器阈值电压的偏负有积极影响。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：在退火情况下控制栅极厚度，改变有源区的面积调节阈值电压，简单方便、易于控制；反相器输出的阈值电压差异明显、容错少，不易造成逻辑混乱；方应速度快，响应时间短；漏电电流小，功耗低，相比于一般的饱和负载管反相器，功耗约小一个量级。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。