高迁移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种高迁移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管，其特征在于，包括：由下到上依次设置的衬底、底栅电极、高k栅介质层、石墨烯、氧化锌籽晶层、氧化锌纳米棒和源漏电极。本发明还提供一种高迁移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、清洗衬底；步骤二、在衬底上制作底栅电极；步骤三、在底栅电极上沉积栅介质；步骤四、制备石墨烯；步骤五、将石墨烯转移到栅介质上；步骤六、在石墨烯上沉积氧化锌籽晶层；步骤七、在氧化锌籽晶层上进行氧化锌纳米棒生长；步骤八、在氧化锌纳米棒的顶端制作源漏电极。本发明的高迁移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管具有高迁移率的特点。
【专利说明】
高迁移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管，本发明还涉及该高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，属于半导体技术领域。
【背景技术】
[0002]薄膜晶体管目前主要应用于驱动液晶显示器和有机发光二极管显示器的子像素。随着半导体工艺水平的不断提高、像素尺寸不断减小，显示屏的分辨率也越来越高，因此对薄膜晶体管的迀移率提出了更加苛刻的要求。从低温非晶硅到氧化物半导体再到低温多晶硅技术，薄膜晶体管的迀移率已经取得了很大提高。
[0003]同时，随着柔性显示技术的发展，对低成本、高透光、可拉伸的晶体管材料和低温制备工艺也提出了更高要求。但是，金属氧化物半导体，例如ZnO、IGZO等，虽然迀移率相对于非晶硅已经有了一定提高，但是其还不能完全满足高分辨率手机和平板显示屏的要求，因此进一步提高迀移率是提高薄膜晶体管性能的一个重要方面。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管，本发明提供的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管，包括:由下到上依次设置的衬底、底栅电极、高k栅介质层、石墨烯、氧化锌籽晶层、氧化锌纳米棒和源漏电极。
[0005]本发明还提供上述高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤:
[0006]—、清洗衬底；
[0007]二、底栅电极的制作；
[0008]三、栅介质沉积；
[0009]四、制备石墨烯；
[0010]五、转移石墨烯；
[0011 ] 六、氧化锌籽晶层沉积；
[0012]七、氧化锌纳米棒生长；
[0013]八、源漏电极制作。
[0014]步骤一中的衬底可以是玻璃、石英等透明衬底，也可以是热氧化硅片，还可以是PET, PI等塑料柔性衬底。
[0015]上述步骤二中底栅电极制作过程为:涂胶、光刻并显影；沉积金属电极；去胶。
[0016]上述步骤三中栅介质沉积可采用原子层沉积技术，可沉积氧化铝或氧化铪等高k介质材料。
[0017]沉积氧化铝的具体条件为反应腔室温度80-300°C、反应源为三甲基铝(TMA)和水，两者温度均为室温。
[0018]沉积氧化铪的具体条件为反应腔室温度80-300°C、反应源为四(乙基甲胺基)铪(TEMAH)和水蒸汽。水蒸汽的温度为室温，四(乙基甲胺基)铪需加热到80°C使用。
[0019]如果步骤三中采用氧化铝作为栅介质，过程如下:首先通入TMA，TMA的流量是50-300sccm(standard-state cubic centimeter per minute,意义为:标准毫升每分钟)，持续时间为0.1-2秒；然后通入惰性气体，持续时间为1-10秒；之后通入水蒸汽，水蒸汽的流量50-300sccm，持续时间为0.1_2秒，最后通过惰性气体，持续时间1_10秒。重复此过程，进行多个循环。
[0020]如果步骤三中采用氧化铪作为栅介质，过程为:首先通入TEMAH流量是50-300sccm，持续时间为1_5秒；然后通入惰性气体吹洗，持续时间为1_10秒；之后通入水蒸汽，流量是50-300SCCm，持续时间为0.1-2秒，最后通过惰性气体吹洗，持续时间1_10秒。重复此过程，进行多个循环。
[0021]上述步骤三中栅介质厚度通过控制反应循环的数量来控制薄膜的厚度，其厚度在5-50纳米。50个循环，对应5纳米；500个循环，对应50纳米。
[0022]上述步骤四中的石墨烯通过低压化学气相沉积的方法在铜片上制备。具体过程为:将铜片放在反应腔中，抽到真空后通入氢气，气流量为10-50sCCm，把腔体加热到800-11000C ;待温度升到后同时通入甲烷和氢气，气流量均为10-50SCCm，并反应5_30分钟；降温并保持甲烷和氢气的气流；温度降到室温后关闭甲烷和氢气的气流，使用惰性气体吹洗过后，将气压升到大气压；取出样品。惰性气体优选氩气。
[0023]上述步骤五中转移石墨烯步骤包括；将石墨烯上表面涂上聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等粘附层；将石墨烯和铜片一起转移到三氯化铁水溶液或硫酸铜溶液中，溶液中需加入适量盐酸，腐蚀掉铜片；将石墨烯和粘附层捞起并转移到清水中，并将铜残留清洗干净；将石墨烯和粘附层转移到衬底上；用丙酮或去胶液等将粘附层去除。
[0024]上述步骤六中氧化锌籽晶层的沉积可采用原子层沉积技术。沉积氧化锌的具体条件为:反应腔室温度80-220°C、反应源为二乙基锌(DEZn)和水蒸汽(H2O)，二乙基锌和水均为室温。
[0025]上述步骤六中沉积氧化锌过程一个循环步骤为:首先通入DEZn，流量是50-300SCCm，持续时间为0.1-2秒；然后通入惰性气体，持续时间为1_10秒；之后通入水蒸汽，持续时间为0.1-2秒，最后通过惰性气体，持续时间1-10秒。
[0026]上述步骤六中氧化锌籽晶层厚度通过控制反应循环的数量来控制薄膜的厚度。一般为20纳米，对应100次循环。
[0027]上述步骤七中氧化锌纳米棒的生长通过水热法来生长，具体为:配置硝酸锌和六亚甲基四胺溶液，浓度均为0.025m mo I/L ;将衬底和溶液移入反应釜，80°C恒温生长8_16小时。
[0028]上述步骤八中源漏电极制作过程为:涂胶、光刻并显影，沉积金属电极，去胶。
[0029]本发明的有益效果
[0030]由于本发明所提供的方法所制得的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管中具有石墨烯，同时石墨烯上生长有氧化锌纳米棒，使得本发明的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管具有高迀移率的特点。
【附图说明】
[0031]图1是衬底清洗后的结构示意图；
[0032]图2是制作底栅电极后的结构示意图；
[0033]图3是沉积栅介质材料后的结构示意图；
[0034]图4是转移上石墨烯之后的结构示意图；
[0035]图5是生长氧化锌籽晶层后的结构示意图；
[0036]图6是生长上氧化锌纳米棒之后的结构示意图；
[0037]图7是制作上源漏电极后的结构示意图；
[0038]图8是为转移到栅介质上的石墨烯的拉曼光谱图；
[0039]图9是在石墨烯上生长后的氧化锌纳米棒的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。
[0041]需要说明的是，在附图中，为了方便说明，放大或缩小了各层或区域的大小和厚度，图中所示大小并不代表实际尺寸。
[0042]如图1所示，高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管包括:衬底101顺次沉积并图形化的底栅电极102、栅介质103、石墨烯层104、氧化锌籽晶层105、氧化锌纳米棒106和源漏电极107、源漏电极108。
[0043]衬底采用石英或玻璃衬底，其步骤如下:
[0044]步骤一，清洗衬底:将衬底放入丙酮中超声清洗20分钟，将衬底从丙酮中取出并放入乙醇中清洗20分钟，用去离子水冲洗几次后用氮气枪吹干，即可得图1所示的透明衬底 101。
[0045]步骤二，底栅电极的制作:将衬底涂上光刻胶、曝光并显影后转移到溅射薄膜沉积系统的沉积腔中，沉积10纳米的铬作为粘附层后再沉积50纳米的金；将衬底浸入丙酮中去胶后即可得图2所示结构，其中102为底栅电极。
[0046]步骤三，栅介质沉积:将步骤二中得到的带有底栅电极的衬底转移到原子层沉积的反应腔中，沉积栅介质氧化铝103。采用气相沉积法沉积氧化铝，沉积氧化铝的前驱体为三甲基铝和水蒸汽，两者均保持在室温，反应腔需加热到300°C。沉积氧化铝需要进行多个循环，每个循环包括如下步骤:
[0047]采用氮气作为三甲基铝的载气，将气流量设置在lOOsccm，持续时间0.2秒；
[0048]用氮气吹洗衬底，将气流量设置在lOOsccm，持续时间5秒；
[0049]采用氮气作为水蒸汽的载气，将气流量设置在lOOsccm，持续时间0.2秒；
[0050]用氮气吹洗衬底，将气流量设置在lOOsccm，持续时间5秒；
[0051]重复300个循环，获得30纳米左右的栅介质层，得到图3所示的结构。
[0052]步骤四，制备石墨烯:通过低压化学气相沉积的方法在铜片上制备石墨烯。具体过程为:将铜片放在反应腔中，抽到真空后通入氢气，气流量设为lOsccm，把腔体加热到1000°C;待温度升到后同时通入甲烷和氢气，气流量分别为lOsccm，并反应10分钟；降温并保持甲烷和氢气的气流；温度降到室温后关闭甲烷和氢气的气流，氩气吹洗过后，将气压升到大气压；取出样品。
[0053]步骤五，转移石墨烯:将石墨烯转移到栅介质氧化铝103上。步骤包括:将石墨烯上表面涂上PMMA粘附层；将石墨烯和铜片一起转移到三氯化铁水溶液中，腐蚀掉铜片；将石墨烯和粘附层一起捞起并转移到清水中，并将铜残留清洗干净；将石墨烯和粘附层转移到栅介质氧化铝103上；用丙酮或去胶液等将粘附层去除。得到如图4所示结构，其中104为转移到栅介质氧化铝103上的石墨烯，石墨烯靠分子间的作用力吸附在栅介质氧化铝103上。图8为转移到栅介质上的石墨烯的拉曼光谱图，说明此方法成功将石墨烯转移到了栅介质上。
[0054]步骤六，氧化锌籽晶层沉积:将步骤五中粘附了石墨烯后的结构转移到原子层沉积的反应腔中，沉积氧化锌籽晶层105。沉积氧化锌的前驱体为二乙基锌和水蒸汽，两者均保持在室温，反应腔需加热到200°C。沉积过程需要多个循环，沉积一个循环的氧化锌包括如下步骤:
[0055]将二乙基锌吸附在石墨烯上，将气流量设置在lOOsccm，持续时间0.2秒，其中二乙基锌的载气为氮气；
[0056]用氮气吹洗，将气流量设置在lOOsccm，持续时间5秒；
[0057]吸附水，将气流量设置在lOOsccm，持续时间0.2秒，其中水蒸汽的载气为氮气；
[0058]用氮气吹洗衬底，将气流量设置在lOOsccm，持续时间5秒；
[0059]进行100次循环，获得20纳米左右厚的氧化锌籽晶层，得到图5所示的结构。
[0060]步骤七:氧化锌纳米棒的生长。具体为:先配置硝酸锌和六亚甲基四胺的水溶液，浓度均为0.025毫摩尔每升；将衬底和溶液移入反应釜中，再将反应釜移入恒温箱；80°C恒温生长8小时后取出样品，得到图6所示结构，其中106为生长的氧化锌纳米棒。图9是在石墨烯上生长后的氧化锌纳米棒的扫描电镜图。
[0061]步骤八:将衬底涂上光刻胶、曝光并显影后转移到溅射系统的沉积腔中，沉积10纳米的铬作为粘附层后再沉积50纳米的金；将衬底浸入丙酮中去胶后即可得图7所示人源漏电极107和源漏电极108。
【主权项】
1.一种高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管，其特征在于，包括: 由下到上依次设置的衬底、底栅电极、高k栅介质层、石墨烯、氧化锌籽晶层、氧化锌纳米棒和源漏电极。2.如权利要求1所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、清洗衬底； 步骤二、在所述衬底上制作底栅电极； 步骤三、在所述底栅电极上沉积栅介质； 步骤四、制备石墨烯； 步骤五、将所述石墨烯转移到栅介质上； 步骤六、在所述石墨烯上沉积氧化锌籽晶层； 步骤七、在所述氧化锌籽晶层上进行氧化锌纳米棒生长； 步骤八、在所述氧化锌纳米棒的顶端制作源漏电极。3.根据权利要求2所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，所述栅介质为氧化铝或氧化铪，厚度在5-50纳米。4.根据权利要求3所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，所述氧化铝的沉积条件为:反应腔室温度80-300°C、反应源为三甲基铝和水，沉积所述氧化铝的步骤为:首先向反应腔室中通入三甲基铝，持续时间为0.1-2秒；然后通入惰性气体，持续时间为1-10秒；之后通入水蒸汽，持续时间为0.1-2秒，最后通入惰性气体，持续时间1-10秒， 将所述沉积氧化铝的步骤循环多次。5.根据权利要求3所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，所述氧化铪的沉积条件为:反应腔室温度80-300°C，反应源为四(乙基甲胺基)铪和水，四(乙基甲胺基)铪需加热到80°C后使用， 沉积所述氧化铪的过程具有多个循环，其中一个循环的步骤为:首先向反应腔室中通入四(乙基甲胺基)铪，持续时间为1-5秒；然后通入惰性气体，持续时间为1-10秒；之后通入水蒸汽，持续时间为0.1-2秒，最后通入惰性气体，持续时间1-10秒。6.根据权利要求2所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，步骤四中石墨烯的制备方法如下: 将铜片放在反应腔中，抽真空后通入氢气，气流量为10-50标准毫升每分钟，把反应腔加热到800-1100°C ;待温度升到后同时通入甲烷和氢气，气流量均为10-50标准毫升每分钟，并反应5-30分钟；降温并保持甲烷和氢气的气流；温度降到室温后关闭甲烷和氢气的气流，惰性气体吹洗过后，将气压升到大气压，制得所述石墨烯。7.根据权利要求2所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，步骤五中将所述石墨烯转移到栅介质上的步骤包括；将石墨烯的上表面涂上聚甲基丙烯酸甲酯粘附层；将石墨烯和铜片一起转移到三氯化铁水溶液或硫酸铜水溶液中，腐蚀掉铜片；将石墨烯和粘附层捞起并转移到水中，将铜残留清洗干净；将石墨烯和粘附层转移到栅介质上；用丙酮或去胶液将粘附层去除。8.根据权利要求2所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，沉积所述氧化锌籽晶层采用原子层沉积技术，沉积条件为:反应腔室温度为80-220°C、反应源为二乙基锌和水， 氧化锌籽晶层的沉积过程需要进行多个循环，一个循环的步骤为:首先通入二乙基锌，持续时间为0.1-2秒；然后通入惰性气体，持续时间为1-10秒；之后通入水蒸汽，持续时间为0.1-2秒，最后通入惰性气体，持续时间为1-10秒。9.根据权利要求2所述的高迀移率氧化锌纳米棒薄膜晶体管的制备方法，其特征在于: 其中，步骤七中氧化锌纳米棒的生长方法为:配置硝酸锌和六亚甲基四胺溶液，浓度均为0.025毫摩尔每升；将步骤六中得到的沉积了氧化锌籽晶层的衬底和所述硝酸锌以及所述六亚甲基四胺溶液移入反应釜，80°C恒温生长8-16小时。
【文档编号】H01L29/778GK105845722SQ201510016377
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】不公告发明人
【申请人】苏州复纳电子科技有限公司