硅纳米膜具反相器功能柔性薄膜晶体管及制造方法与流程

本发明涉及柔性电子器件技术领域，具体讲,涉及硅纳米膜具反相器功能柔性薄膜晶体管及制造方法。

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rfid(射频识别标签)、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，分别采用真空电子束蒸镀和磁控溅射镀导电金属膜与栅介质层，光刻后离子刻蚀以及hf(氢氟酸)湿法刻蚀的技术，将soi(绝缘体上硅)上的硅纳米膜剥离以及转移到柔性可弯曲pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)衬底上，随后通过层层光刻以及刻蚀的方式形成一个具有反相器功能的柔性薄膜晶体管，将来有望在大规模柔性集成电路以及高速电路等方面取得广泛应用。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出设计并制备一种基于柔性pet衬底的具有反相器功能的柔性薄膜晶体管，采用真空电子束蒸镀和磁控溅射的低温工艺，在较为简便的工艺中设计并制备双栅结构的能够实现高电平输入，低电平输出和低电平输入，高电平输出的柔性薄膜晶体管。此外，采用电阻率较低的铬金导电薄膜驱动，工作性能更加优良，制作工艺更加简单，使得该柔性器件在大规模集成电路和高速电路的应用提供可能。为此，本发明采取的技术方案是，硅纳米膜具反相器功能柔性薄膜晶体管制造方法，采用真空电子束蒸镀和磁控溅射工艺分别在pet衬底上镀上ito薄膜和bmn栅介质膜，随后采用光刻形成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，通过转移在bmn栅介质膜上形成硅纳米膜，然后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏栅金属电极层，完成晶体管的制备。

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、采用磁控溅射的方法在pet衬底上镀200nm厚的氧化铟锡ito和100nm厚的铋镁铌bmn栅介质层膜；

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*1015cm2，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，将硅纳米膜层粘附于镀好膜的柔性pet衬底之上，烘干；

g、利用事先制备好的掩模板，在栅介质层上进行涂胶光刻，形成栅极图案，采用真空电子束蒸镀方法在pet衬底上镀30nm/400nm厚度的cr/au金属，去胶之后就得到了顶栅电极；

h、然后在硅薄膜上涂胶，利用掩模板进行对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀方法在pet衬底上镀30nm/400nm厚度的cr/au金属形成源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。

硅纳米膜具反相器功能柔性薄膜晶体管，柔性绝缘衬底上方依次为氧化铟锡ito、铋镁铌bmn和硅薄膜，硅薄膜上制作有n型源掺杂区、n型漏掺杂区，n型源掺杂区、n型漏掺杂区之间为未掺杂区的硅薄膜，源、漏电极分别对应制作在源、漏掺杂区区域上，源、漏电极外侧分别设置有一个栅极，栅极连接作为栅极介电层的铋镁铌bmn。

在作为反相器工作时，两个栅极是连接在一起的，在两个栅极都施加低电平时，会在底部的ito上正对栅电极的区域感应出正电荷，这样在与沟道正对的ito部分会感应出负电荷，因此在沟道处会聚集正电荷，这样沟道没有形成反型层，因此器件不导通，漏端会输出正电位；当在栅电极上施加高电位时，在底部的ito上正对栅电极的区域感应出负电荷，这样在与沟道正对的ito部分会感应出正电荷，因此在沟道处会聚集负电荷，这样沟道形成了反型层，器件导通，漏端输出低电位。

本发明的特点及有益效果是：

本发明中的器件有较高的集成度，有更为广泛范围的应用。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、高速器件等方面取得更为广泛的应用。

附图说明：

附图1为柔性双层栅极薄膜晶体管的主视图。

附图2为晶体管的俯视图。

附图3为发明的工作原理图。

具体实施方式

本发明的目的在于设计并制备一种基于柔性pet衬底的具有反相器功能的柔性薄膜晶体管，采用真空电子束蒸镀和磁控溅射的低温工艺，在较为简便的工艺中设计并制备双栅结构的能够实现高电平输入，低电平输出和低电平输入，高电平输出的柔性薄膜晶体管。此外，采用电阻率较低的铬金导电薄膜驱动，工作性能更加优良，制作工艺更加简单，使得该柔性器件在大规模集成电路和高速电路的应用提供了可能。

本发明的技术方案在于采用真空电子束蒸镀和磁控溅射工艺分别在pet衬底上镀上ito薄膜和bmn栅介质膜，随后采用光刻形成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，通过转移在pet衬底上形成硅纳米膜，然后通过光刻以及真空电子束蒸镀的方式形成源漏栅金属电极层，完成晶体管的制备。

该柔性双栅薄膜晶体管的主要工作原理在于通过在两个栅电极上添加高于阈值电压的正向偏置，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，反相器输出低电平；相反，在两个栅电极上施加低电平时，不会形成导电沟道，从而反相器输出高电平。柔性衬底可以减少传统硅基衬底mosftt晶体管的寄生效应，并可以在不同的弯曲程度之下工作，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。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

附图1为柔性双层栅极薄膜晶体管的主视图，附图2为晶体管的俯视图以及附图3为发明的工作原理图。

附图2各项已经在图中标注，对附图1说明：1为n型源掺杂区，2为未掺杂区的硅薄膜，3为n型漏掺杂区，4为金属源电极，5为金属漏电极，6和7都为金属栅电极，8为bmn栅介电层，9为ito层，10为pet衬底，11为互联线(互联线在图中只是为了说明问题，在实际情况中金属是直接镀到掺杂区形成源漏电极的)。

由于附图1和2均为该晶体管的结构图，只是图1是主视图，图2是俯视图，从两个不同的角度描述了该结构，现对该结构说明如下：该结构是制作在柔性衬底pet上面的，所以最底层是pet塑料，ito作为一种导电的材料，在这里被用作可以产生感应电荷，使器件正常工作的导电层，bmn在这里是作为一种栅极介电层，在bmn的上一层是经过在特定区域掺杂形成源漏区域的硅薄膜，源漏电极制作在源漏区域上，图中的互联线只是为了说明电极和掺杂区是连接的，真正在做的时候是电极直接镀在掺杂区域上面的，由于该器件是实现反相器的功能，所以需要两个栅极，如图中的6和7,具体的工作原理见附图3的描述。

附图3为发明的工作原理图，在作为反相器工作时，栅电极6和7是连接在一起的，之所以要设计两个栅电极就是除了使该器件实现反相器的功能，也可以使其实现与门的功能，其工作原理如下：在栅电极6和7上都施加低电平时，会在底部的ito上正对栅电极的区域感应出正电荷，这样在与沟道正对的ito部分会感应出负电荷，因此在沟道处会聚集正电荷，这样沟道没有形成反型层，因此器件不导通，漏端会输出正电位。当在栅电极上施加高电位时，在底部的ito上正对栅电极的区域感应出负电荷，这样在与沟道正对的ito部分会感应出正电荷，因此在沟道处会聚集负电荷，这样沟道形成了反型层，因此器件导通，漏端会输出低电位。通过以上分析可以看出该器件只有在两个栅电极都施加高电位时，器件才会导通，只要有一个栅电极不施加高电位就不能实现导通，即该器件也可以实现与门的功能。本发明中的器件有较高的集成度，有更为广泛范围的应用。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、高速器件等方面取得更为广泛的应用。

具体的制作工艺如下

i、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。

j、采用磁控溅射的方法在pet衬底上镀200nm厚的ito和100nm厚的bmn栅介质层膜。

k、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。

l、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*1015cm2，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。

m、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。

n、在3:1的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，将硅纳米膜层粘附于镀好膜的柔性pet衬底之上，烘干。

o、利用事先制备好的掩模板，在栅介质层上进行涂胶光刻，形成栅极图案。采用真空电子束蒸镀方法在pet衬底上镀30nm/400nm厚度的cr/au金属，去胶之后就得到了顶栅电极。

p、然后在硅薄膜上涂胶，利用掩模板进行对准光刻，形成源漏电极的光刻图案，采用真空电子束蒸镀方法在pet衬底上镀30nm/400nm厚度的cr/au金属形成源漏电极层，去胶之后，器件的制备完成。