金属氧化物半导体传感器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件制作技术领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体传感器及其制备方法。

背景技术：

半导体传感器是指利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器，半导体传感器在遥感、夜视、侦查、成像等军事和国民经济的各个领域都有广泛的应用。

目前，半导体传感器所采用的半导体材料多数是硅以及ⅲ-ⅴ族和ⅱ-ⅵ族元素化合物。上述半导体材料电子迁移率较低和导电特性不佳。尤其是利用半导体的光电效应、将光信号转化为电信号输出的光敏传感器，以及利用压电材料将受到的外力转化为电信号输出的压敏传感器，半导体材料的电学特性不佳将直接影响到半导体传感器的应用范围。

然而，上述现有技术的半导体传感器由于其中所含的半导体材料本身的缺陷导致半导体传感器的灵敏度较差。

技术实现要素：

本发明提供一种金属氧化物半导体传感器及其制备方法，能够提高金属氧化物半导体传感器的检测灵敏度。

本发明第一方面提供一种金属氧化物半导体传感器的制备方法，包括以下步骤：在衬底基板上依次形成栅极以及栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成有源岛，有源岛包括源极、漏极以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形；在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成由压电材料或光敏材料构成的保护层。

在一种可能的实现方式中，在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成由压电材料或光敏材料构成的保护层，具体包括：在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层，以作为由压电材料或光敏材料构成的保护层。

在一种可能的实现方式中，在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层，具体包括：将α型聚偏氟乙烯溶解至n，n-二甲基甲酰胺的溶剂中形成α型聚偏氟乙烯溶液；将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，并在40℃～70℃真空干燥30min～80min，以形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

在一种可能的实现方式中，在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层，具体包括：将α型聚偏氟乙烯溶解至n，n-二甲基甲酰胺的溶剂中形成α型聚偏氟乙烯溶液；将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，并对涂覆至栅极绝缘层上的α型聚偏氟乙烯溶液施加剪切力，以形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

在一种可能的实现方式中，在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层，具体包括：将α型聚偏氟乙烯溶解至n，n-二甲基甲酰胺的溶剂中形成α型聚偏氟乙烯溶液；将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，并进行退火工艺，以形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

在一种可能的实现方式中，将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，具体包括：将α型聚偏氟乙烯溶液旋转涂布至形成有有源岛的栅极绝缘层上；或者将形成有栅极、栅极绝缘层和有源岛的衬底基板封装在α型聚偏氟乙烯溶液中。

在一种可能的实现方式中，在栅极绝缘层上形成有源岛，具体包括：在栅极绝缘层上形成第一金属氧化物半导体图形；对第一金属氧化物半导体图形进行f离子注入，以形成经过离子注入的金属氧化物半导体图形；在形成有经过离子注入的金属氧化物半导体图形的栅极绝缘层上形成源极和漏极。

在一种可能的实现方式中，对第一金属氧化物半导体图形进行f离子注入包括：通过干刻工艺将f系气体处理成含f自由基等离子体，并用含f自由基等离子体对第一金属氧化物半导体图形进行f离子注入。

本发明第二方面提供一种金属氧化物半导体传感器，采用如上述的金属氧化物半导体传感器的制备方法制作而成，金属氧化物半导体传感器包括：衬底基板；栅极，栅极形成在衬底基板上；栅极绝缘层，栅极绝缘层形成在衬底基板上，并覆盖栅极；有源岛，有源岛形成在栅极绝缘层上，且与栅极的位置相对应，有源岛包括源极、漏极以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形；保护层，保护层形成在形成有有源岛的栅极绝缘层上。

在一种可能的实现方式中，保护层为β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

本发明提供一种金属氧化物半导体传感器及其制备方法，金属氧化物半导体传感器的制备方法，包括以下步骤：在衬底基板上依次形成栅极以及栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成有源岛，有源岛包括源极、漏极以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形；在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成由压电材料或光敏材料构成的保护层。由于经过离子注入的金属氧化物半导体图形具有很高的电子迁移率和导电特性，并且还形成由压电材料或光敏材料构成的保护层，具有防腐蚀，耐候性强，物理和化学稳定性高等特点，与现有技术中电子迁移率较低和导电特性不佳的材料相比，能够提高传感器的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法的流程图；

图2a为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第一状态时的结构示意图；

图2b为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第二状态时的结构示意图；

图2c为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第三状态时的结构示意图；

图2d为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第四状态时的结构示意图；

图2e为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第五状态时的结构示意图；

图2f为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第六状态时的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器在外界压力作用下感应电荷的模型图；

图5为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器在外界光源作用下感应电荷的模型图；

图6为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器中经过离子注入的金属氧化物半导体图形电学特性曲线。

附图标记：

100-金属氧化物半导体传感器；1-衬底基板；2-栅极；3-栅极绝缘层；5-有源岛；51-源极；52-漏极；53-经过离子注入的金属氧化物半导体图形；54-第一金属氧化物半导体图形；55-光源；56-施压装置；6-保护层。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法的流程图。参照图1，本申请提供一种金属氧化物半导体传感器的制备方法，包括以下步骤：

s100、在衬底基板上依次形成栅极以及栅极绝缘层；

s200、在栅极绝缘层上形成有源岛，有源岛包括源极、漏极以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形；

s300、在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成由压电材料或光敏材料构成的保护层。

在上述方案中，由于经过离子注入的金属氧化物半导体图形具有很高的电子迁移率和导电特性，并且还形成由压电材料或光敏材料构成的保护层，具有防腐蚀，耐候性强，物理和化学稳定性高等特点，与现有技术中电子迁移率较低和导电特性不佳的材料相比，能够提高传感器的灵敏度。

进一步的，本实施例的传感器综合利用经过离子注入的半导体材料、以及具有高介电、高压电特性、以及光学敏感特性的β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯材料特性，以实现半导体材料和功能聚合物材料的结合，使得传感器的灵敏度提升

图2a为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第一状态时的结构示意图，图2b为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第二状态时的结构示意图。

在步骤s100中，在衬底基板1上依次形成栅极2以及栅极绝缘层3具体可以包括：在衬底基板1上沉积栅极金属层，并通过一次光刻工艺以形成栅极2，如此形成第一状态的金属氧化物半导体传感器，如图2a所示。

然后在第一状态的金属氧化物半导体传感器的基础上，即在形成有栅极2的衬底基板1上覆盖整层的栅极绝缘层3，以形成第二状态的金属氧化物半导体传感器，如图2b所示。

这里衬底基板1可以使用玻璃基板，在沉积栅极金属层之前可以对先对玻璃基板进行清洗。具体的，可以在衬底基板1上，通过物理气相沉积的方法沉积栅极金属层，再通过一次光刻工艺形成栅极2。并且，在形成有栅极2的衬底基板1上采用化学气相沉积的方法沉积sin、sio的栅极绝缘层3。

图2c为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第三状态时的结构示意图，图2d为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第四状态时的结构示意图。

在步骤s200中，在栅极绝缘层3上形成有源岛5，有源岛5包括源极51、漏极52以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形53。其中，经过离子注入的金属氧化物半导体图形53具体是指对形成的第一金属氧化物半导体图形53进行离子注入，以形成具有高电子状态的半导体膜。而在栅极绝缘层3上形成有源岛5，具体包括：

在栅极绝缘层3上形成第一金属氧化物半导体图形54，参照图2c。具体的，在第二状态的金属氧化物半导体传感器的基础上，即在栅极绝缘层3上采用物理气相沉积法制备金属氧化物半导体层，例如igzo层，并通过一次光刻工艺形成第一金属氧化物半导体图形54，以形成第三状态的金属氧化物半导体传感器。

参照图2d，圆圈表示f自由基等离子体，在第三状态的金属氧化物半导体传感器的基础上，对第一金属氧化物半导体图形54进行f离子注入，以形成经过离子注入的金属氧化物半导体图形53，并形成第四状态的金属氧化物半导体传感器。

本申请实施例中，对第一金属氧化物半导体图形54进行f离子注入包括：通过干刻工艺将f系气体处理成含f自由基等离子体，并用含f自由基等离子体对第一金属氧化物半导体图形54进行f离子注入。

示例性的，在形成第一金属氧化物半导体图形54后，采用含f系的气体，例如cf4、nf3中的至少一者，对第一金属氧化物半导体图形54进行处理。具体的，将含f系的气体，例如cf4、nf3中的至少一者通入干刻工艺的设备中，利用干刻工艺的设备将上述气体制备成为含f的自由基等离子体，而含f的自由基等离子体在干刻工艺的设备中，可被注入到第一金属氧化物半导体图形54内，从而形成具有高电子状态的半导体膜。

可以理解的是，可以通过改变干刻工艺设备中的干刻工艺条件，而制备具有高浓度，低损伤的含f的自由基等离子体。同时，含f的自由基等离子体的注入量对半导体器件电学特性具有重要作用。

本申请实施例中，为了实现控制半导体层含f自由基注入的最佳化，可将上述干刻工艺的设备中通入的含f系的气体的气体流量(体积流量)设定为300sccm～700sccm，气体的压力设定为0.2mpa～0.5mpa，干刻工艺的设备的功率设定为15kw～30kw。采用上述的参数，可以使最后形成的经过离子注入的金属氧化物半导体图形53具有优异的电学特性。

图2e为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第五状态时的结构示意图。

参照图2e，在第四状态的金属氧化物半导体传感器的基础上，即在形成有经过离子注入的金属氧化物半导体图形53的栅极绝缘层3上形成源极51和漏极52。具体的，采用物理气相沉积法在栅极绝缘层3上形成源漏金属层，并通过一次光刻工艺，将源漏金属层形成源极51和漏极52，以形成第五状态的金属氧化物半导体传感器。

在步骤s300中，在形成有有源岛5的栅极绝缘层3上形成由压电材料或光敏材料构成的保护层6。该保护层6在是金属氧化物半导体传感器100中是作为压电、光敏材料起作用，并且，该保护层6的存在还可以保护经过离子注入的金属氧化物半导体图形53的电学特性。

图2f为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器的制备方法中金属氧化物半导体传感器处于第六状态时的结构示意图。

具体的，可以在第五状态的金属氧化物半导体传感器的基础上，即在形成有有源岛5的栅极绝缘层3上形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层，以作为由压电材料或光敏材料构成的保护层6，并形成第六状态的金属氧化物半导体传感器，如图2f所示。

而采用β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层作为保护层6，使保护层6具有防腐蚀，耐候性强，物理和化学稳定性高等点。通常的聚偏氟乙烯聚合物材料在正常生产制备中，并不具有电学特性，其物理特性主要受其晶体结构决定，其主要晶体结构类型为α，β，γ三种，其α晶体结构并不具备电学特性，仅β和γ型聚偏氟乙烯具有优异的压电和介电特性，被应用与功能材料制备，这是由于，聚偏氟乙烯的β和γ相晶型分子链结构由于呈现ttt构象使得分子间偶极矩很大，从而具有良好的介电特性。本申请实施例中的保护层6正是利用了β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层作为保护层6，对经过离子注入的金属氧化物半导体图形53的电学特性进行保护。使得金属氧化物半导体传感器100具有灵敏度高并且可靠性高的特点。

下面具体说明形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层的方法。

具体的，在形成有有源岛的栅极绝缘层上形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层，具体包括：

将α型聚偏氟乙烯溶解至n，n-二甲基甲酰胺的溶剂中形成α型聚偏氟乙烯溶液；

将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，并经过以下三种方法形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

方法一：将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，以形成第一器件，并在40℃～70℃、真空干燥30min～80min，以形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。其中，可以将上述的第一器件放置在真空箱中，使真空干燥箱快速抽干，当然，不同抽气速率和真空干燥温度将影响不同β型晶体结构的含量。可以使真空干燥的时间为30min～80min、真空干燥的干燥温度为40℃～70℃。

方法二：将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，以形成第二器件，并对涂覆至栅极绝缘层上的α型聚偏氟乙烯溶液施加剪切力，以形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

具体的，采用具有高剪切力的摩擦设备对第二器件的表面快速摩擦，以形成足够的剪切力，剪切力的作用对大分子结构具有拉伸诱导作用，有利于β型晶体结构产生，不同的剪切压力和速率制备的β晶体含量不同。示例性的，所述剪切力的范围为20mpa～60mpa，所述剪切力的施加速度为0.5m/s～3m/s。

方法三：将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，以形成第三器件，并将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，然后进行退火工艺，以形成β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。

具体的，第三器件放置在高温热台进行退火，将产生由α晶体转变为γ型晶体的聚偏氟乙烯，使其具有压电特性，不同的退火温度和退火时间将影响γ晶体结构的生成，所述退火工艺的温度范围为40℃～70℃，所述退火工艺的时间范围为24hr～168hr。

本申请实施例中，将α型聚偏氟乙烯溶液涂覆至形成有有源岛的栅极绝缘层上，可以包括：将α型聚偏氟乙烯溶液旋转涂布至形成有有源岛的栅极绝缘层上；或者将形成有栅极、栅极绝缘层和有源岛的衬底基板封装在α型聚偏氟乙烯溶液中。

本实施例中，金属氧化物半导体传感器100的制备方法包括以下步骤：在衬底基板1上依次形成栅极以及栅极绝缘层3；在栅极绝缘层3上形成有源岛5，有源岛5包括源极51、漏极52以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形53；在形成有有源岛5的栅极绝缘层3上形成由压电材料或光敏材料构成的保护层6。上述方法结合现有金属氧化物半导体的生产工艺，通过工艺条件优化制备具有高性能的氧化物半导体传感器，适用于多种智能开关，显示器件等领域应用，具有较高的经济附加值。

实施例二

图3为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器100的结构示意图，参照图3，本实施例提供一种金属氧化物半导体传感器100，采用实施例一所述的金属氧化物半导体传感器的制备方法制备而成，其中，金属氧化物半导体传感器的制备方法在实施例一中已经进行了详细说明，此处不再赘述。

本实施例中的金属氧化物半导体传感器100包括：衬底基板1；栅极2，栅极2形成在衬底基板1上；栅极绝缘层3，栅极绝缘层3形成在衬底基板1上，并覆盖栅极2；有源岛5，有源岛5形成在栅极绝缘层3上，且与栅极2的位置相对应，有源岛5包括源极51、漏极52以及经过离子注入的金属氧化物半导体图形53；保护层6，保护层6形成在设有有源岛5的栅极绝缘层3上。

其中，保护层6为β型聚偏氟乙烯和/或γ型聚偏氟乙烯的膜层。而经过离子注入的金属氧化物半导体图形53是经过f离子注入的金属氧化物半导体图形。

本实施例的金属氧化物半导体传感器100中半导体膜层(经过离子注入的金属氧化物半导体图形53)的损伤较低，并且f化后的半导体膜层具有很高的电子迁移率和导电特性，是的传感器的器件灵敏度提升。而高灵敏度的传感器器件有利于对微小压力，光线等进行感知，不同场景下的应用效果均较佳。并且在制备过程中采用的光刻工艺等可以利用现有的5mask和4mask的光刻工艺，成本也较低。

本申请实施例中，经过以上方法制备而成的金属氧化物半导体传感器100具有较高的压敏特性和光敏特性，在器件感应不同压力和光源的作用下，随着聚偏氟乙烯分子结构发生调整，分子扭矩发生变化，诱导金属氧化物半导体产生更多的导电离子使其形成导通电流，被迅速感知。

下面对经过实施例一的方法制备而成的金属氧化物半导体传感器在外界压力和光源作用下感应电荷模型加以介绍。图4为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器在外界压力作用下感应电荷的模型图，图5为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器在外界光源作用下感应电荷的模型图。

参照图4、图5，保护层6中的分子结构由椭圆表示，经过离子注入的金属氧化物半导体图形53中的电子由圆形表示，在对金属氧化物半导体传感器100的衬底基板1和源极51两端加压的情况下，漏极52可以为传感器的信号输出端，此时检测漏极52的输出端可检测金属氧化物半导体传感器100的灵敏度。在图4中以施压装置56对金属氧化物半导体传感器100施加一定压力，在图5中，以光源55对金属氧化物半导体传感器100进行照射，参照图4、图5可知经过离子注入的金属氧化物半导体图形53中有大量电子出现，在保护层6中的分子结构由原来的杂乱无章变为沿着电场方向延伸，这也大大提高了金属氧化物半导体传感器100的灵敏性。

图6为本发明实施例提供的金属氧化物半导体传感器中经过离子注入的金属氧化物半导体图形电学特性曲线。

参照图6，虚线所示曲线为经过离子注入前的第一金属氧化物半导体图形54的tft转移特性曲线，实线所示曲线为经过离子注入的半导体图形，即第一金属氧化物半导体图形53的tft转移特性曲线。由图中可知，在离子注入后，实线与虚线相比，半导体材料中具有较高的迁移率、较低的阈值电压和较高的亚阈值摆幅。因此经过离子注入的金属氧化物半导体图形的输出电学特性优于离子注入前。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。