基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管及其制备工艺的制作方法

本发明涉及半导体器件与柔性生物电子制造，更具体地，涉及一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管，还涉及一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺。

背景技术：

1、在生物电子领域，存储一直是一个重大难题，常规硅基存储器在面临大量机械弯折活动的生物体中往往会失效。针对这个问题，柔性非易失性存储器与类脑神经形态计算器件是下一代可穿戴电子和生物电子医学的核心器件。其中，二维材料（如二硫化钼）因具有原子级厚度、高迁移率以及卓越的机械柔韧性，成为构筑柔性晶体管沟道的理想材料。然而，在现有的柔性铁电/浮栅晶体管制备过程中，存在以下技术痛点：

2、高温退火兼容性差：hzo（）铁电薄膜需要经过400℃~500℃的高温快速热退火（rta）以诱导其形成正交相（o-phase）铁电相，而大多数柔性高分子衬底（如pdms、pet、pet/pi复合膜）在此类高温下极易发生形变、分解甚至炭化，导致器件失效。

3、微纳加工对准精度低：柔性衬底热膨胀系数大且受力易形变，使得亚微米级的光刻对准与多层图案化工艺极其困难。

4、电荷泄漏与弯曲可靠性不足：传统浮栅器件在弯曲应力作用下，栅介质层易产生微裂纹导致电荷流失，且单一柔性衬底机械剥离时易对极薄的二维沟道造成应力损伤。

5、因此，亟需研发一种能够兼容hzo高温铁电相变退火、实现高精度多层微纳加工，并能无损剥离的高性能柔性铁电浮栅晶体管及其制备工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管及其制备工艺，解决高温铁电相变退火与柔性衬底不兼容、柔性衬底微纳加工对准精度低、器件剥离损伤大的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，包括以下步骤：

4、步骤一：硬质玻璃基板表面依次旋涂第一柔性层与第二柔性层，经烘烤固化形成双层柔性衬底；

5、步骤二：在双层柔性衬底上通过光刻工艺定义底栅图案，沉积金属层后经剥离工艺形成底栅金属电极；

6、步骤三：采用原子层沉积技术，在底栅金属电极及双层柔性衬底表面沉积形成铪锆氧化物铁电薄膜；随后在氮气保护气氛下进行快速热退火，诱导铪锆氧化物铁电薄膜晶化形成正交铁电相，得到铁电介质薄膜层；

7、步骤四：通过光刻工艺定义浮栅区域，沉积纳米级金属薄膜后经剥离工艺，在铁电介质薄膜层表面形成金属浮栅岛；

8、步骤五：采用原子层沉积技术，在金属浮栅岛及铁电介质薄膜层表面沉积二氧化铪薄膜，形成包覆金属浮栅岛的超薄隧穿介质层；

9、步骤六：将二维半导体薄片转移至超薄隧穿介质层表面，经退火去除界面残留并进行图案化处理，形成二维半导体沟道薄片；

10、步骤七：通过光刻工艺对准沟道两端并定义源漏区域，沉积金属层后经剥离工艺，在二维半导体沟道薄片两端形成欧姆接触的源极金属电极与漏极金属电极；

11、步骤八：将包含第一柔性层、第二柔性层与完整器件结构的柔性芯片从玻璃基板上无损剥离，得到独立柔性铁电浮栅晶体管；第一柔性层、第二柔性层共同作为柔性聚合物衬底薄膜。

12、进一步地，步骤一中，所述第一柔性层为水溶性聚乙烯醇或聚酰胺酸，厚度为150~300nm，烘干温度为80~120℃；所述第二柔性层为聚酰亚胺，固化后厚度为8~15μm。

13、进一步地，步骤二中，所述底栅金属电极采用cr/au叠层结构，采用电子束蒸发或磁控溅射工艺沉积；其中cr为粘结层，厚度为3~10nm，au为主导电层，厚度为20~60nm。

14、进一步地，步骤三中，铪锆氧化物为；原子层沉积的前驱体为tdmahf、tdmazr和，沉积温度为220~280℃，沉积薄膜厚度为10~20nm；所述快速热退火的温度为400~500℃，退火时间为30~60s。

15、进一步地，步骤四中，所述金属浮栅岛为pt纳米薄膜，厚度为2~5nm，采用电子束蒸发工艺沉积。

16、进一步地，步骤五中，所述超薄隧穿介质层为薄膜，厚度为3~8nm，采用原子层沉积工艺在180~220℃条件下沉积。

17、进一步地，步骤六中，所述二维半导体薄片为1~4薄片，采用pdms辅助干法转移技术进行转移；转移后在160~200℃的氩气气氛中退火1~3h，消除界面残留与气体吸附。

18、进一步地，步骤八中，采用温水浸泡使第一柔性层与硬质玻璃基板表面自然脱落释放。

19、本发明还提供一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管，由上述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺制备，包括：

20、柔性聚合物衬底薄膜；

21、底栅金属电极，形成于柔性聚合物衬底薄膜的上表面；

22、铁电介质薄膜层，覆盖于底栅金属电极及柔性聚合物衬底薄膜上表面，用于提供铁电极化调控；

23、金属浮栅岛，位于铁电介质薄膜层上表面的预设区域，用于俘获与存储电荷；

24、超薄隧穿介质层，包覆金属浮栅岛并沉积于铁电介质薄膜层的上表面，用于提供电荷穿隧与阻挡功能；

25、二维半导体沟道薄片，位于超薄隧穿介质层的上表面，作为晶体管的半导体沟道；

26、以及源极金属电极与漏极金属电极，分别位于二维半导体沟道薄片的两端并形成欧姆接触。

27、综上所述，本发明具有以下有益效果：

28、采用玻璃基板与双层柔性衬底作为刚柔复合承载平台，既满足了hzo在400℃~500℃下形成正交铁电相的工艺要求，又避免了柔性衬底高温形变。

29、在全流程微纳加工（光刻、蒸镀、ald、转移）中，玻璃硬质支撑消除了柔性衬底拉伸变形带来的对准误差，极大提升了器件良率。

30、通过hzo铁电极化与/纳米浮栅电荷俘获协同作用，实现了大存储窗口、超低工作电压（<3v）及长电荷保持时间（>s）。

31、通过设计双层柔性衬底，分别作为柔性牺牲层（第一柔性层）和柔性支撑层（第二柔性层），使得器件释放过程应力集中于柔性牺牲层界面，有效保护了顶部超薄沟道与各介质层免受机械剥离损伤，弯曲半径小于2mm仍能维持稳定的电学性能。

1.一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤一中，所述第一柔性层为水溶性聚乙烯醇或聚酰胺酸，厚度为150~300nm，烘干温度为80~120℃；所述第二柔性层为聚酰亚胺，固化后厚度为8~15μm。

3.根据权利要求1所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤二中，所述底栅金属电极(2)采用cr/au叠层结构，采用电子束蒸发或磁控溅射工艺沉积；其中cr为粘结层，厚度为3~10nm，au为主导电层，厚度为20~60nm。

4.根据权利要求1所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤三中，铪锆氧化物为；原子层沉积的前驱体为tdmahf、tdmazr和，沉积温度为220~280℃，沉积薄膜厚度为10~20nm；所述快速热退火的温度为400~500℃，退火时间为30~60s。

5.根据权利要求1所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤四中，所述金属浮栅岛(4)为pt纳米薄膜，厚度为2~5nm，采用电子束蒸发工艺沉积。

6.根据权利要求1所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤五中，所述超薄隧穿介质层(5)为薄膜，厚度为3~8nm，采用原子层沉积工艺在180~220℃条件下沉积。

7.根据权利要求1所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤六中，所述二维半导体薄片为1~4层薄片，采用pdms辅助干法转移技术进行转移；转移后在160~200℃的氩气气氛中退火1~3h，消除界面残留与气体吸附。

8.根据权利要求2所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺，其特征在于，步骤八中，采用温水浸泡使第一柔性层与硬质玻璃基板表面自然脱落释放。

9.一种基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的基于二维超薄异质结的柔性铁电浮栅晶体管的制备工艺制备，包括：