一种基于IGZO薄膜晶体管的反相器及其制备方法

一种基于igzo薄膜晶体管的反相器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及电子器件及其制备技术领域，特别是一种基于igzo薄膜晶体管的反相器及其制备方法。


背景技术：

2.柔性电子，是将金属氧化物、有机材料、碳纳米管等电子器件制作在柔性、可延展基板上的新兴电子技术，获得了学术界和产业界的广泛关注。由于传统硅基器件无法做到“柔性”，金属氧化物薄膜晶体管成为了其最有希望的替代者。金属氧化物薄膜晶体管除了具有良好的柔性外，还具有更高的迁移率、更低的制备温度等优点。铟镓锌氧化物(indium gallium zinc oxide，igzo)是目前金属氧化物薄膜晶体管中一种主流的有源层材料，具有高迁移率、低关态电流、宽带隙(～3.5ev)等优点，是制备柔性电子产品的理想半导体材料。
3.稳定可靠的反相器是实现高性能数字电路和模拟电路的基础，因此利用igzo薄膜晶体管制备反相器是实现柔性电路及产品过程中至关重要的一步。传统的硅基反相器采用将n管作为下拉网络、p管作为上拉网络的cmos结构，然而大部分igzo薄膜晶体管都是n型增强管，并且当前的工艺和制备流程难以制造出性能良好的p型igzo薄膜晶体管，因此这种cmos结构不再适用。
4.目前通常将栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件制备反相器，但这种结构的反相器具有电压增益低、输出摆幅小等缺点。为了提升基于igzo薄膜晶体管的反相器的性能，当前广泛采用的方法是将栅源短接的n型耗尽型igzo薄膜晶体管作为上拉器件，将n型增强型igzo薄膜晶体管作为下拉器件。目前实现n型耗尽型igzo薄膜晶体管的主要方法有：采用双栅结构动态控制晶体管的阈值、通过激光退火或者沉积多层有源层等工艺来改变晶体管的类型。但双栅结构需要额外的顶栅控制电路，增加了电路设计的复杂性，不易实现；激光退火和多层有源层等办法又会使得工艺过于复杂、繁琐。
5.因此有必要提出一种基于igzo薄膜晶体管的反相器及其制备方法，实现高增益、全摆幅的反相器，并且使电路设计和工艺流程简单化。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种反相器及其制备方法：通过氢等离子体处理工艺形成常开型沟道，使上拉网络中的n型增强型igzo薄膜晶体管转变为n型耗尽型igzo薄膜晶体管，相比于将栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器，将栅源短接的n型耗尽型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器具有更高的增益和更大的摆幅；与此同时，该工艺简单快捷，便于操作，反应所用的气体源易获取，满足大规模工业生产的需求量。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
8.本发明的一种基于igzo薄膜晶体管的反相器,包括n型增强型igzo薄膜晶体管t1和n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2，其中n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2作为上拉器件；
9.n型增强型igzo薄膜晶体管t1包括依次设置的衬底、第一栅电极层、第一栅极介电层和第一igzo有源层，在第一igzo有源层表面设置有第一源极和第一漏极；
10.n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2包括依次设置的衬底、第二栅电极层、第二栅极介电层和第二igzo有源层；在第二igzo有源层表面设置有第二源极和第二漏极；所述n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2还包括开型沟道，第二源极与第二漏极之间间距为沟道长度，所述开型沟道通过对位于第二源极与第二漏极之间区域对应的igzo有源层进行氢等离子体处理获得。
11.n型增强型igzo薄膜晶体管t1的第一漏极和n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2的第二源极、第二栅电极层三者短接，接v
out
信号。
12.进一步的，n型增强型igzo薄膜晶体管t1和n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2共用衬底，衬底是刚性基底或柔性基底。
13.进一步的，第一栅电极层和第二栅电极层均设置在衬底表面，材质为钼。
14.进一步的，第一栅极介电层完全覆盖晶体管t1的第一栅电极层，第二栅极介电层完全覆盖晶体管t2的第二栅电极层，第一栅极介电层和第二栅极介电层材质为二氧化硅。进一步的，第一源极、第一漏极、第二源极和第二漏极均为钼或铝。
15.本发明的一种基于igzo薄膜晶体管的反相器的制备方法，包括如下步骤：
16.步骤1，清洗衬底，在衬底上制备图案化的栅电极层；图案化的栅电极层包括第一栅电极层和第二栅电极层。
17.步骤2，通过pecvd工艺在具有栅电极层的衬底上沉积栅极介电层，位于第一栅电极层表面的为第一栅极介电层，位于第二栅电极层表面的为第二栅极介电层；
18.步骤3，通过射频磁控溅射工艺，在栅极介电层上形成igzo有源层，刻蚀igzo有源层和位于第二栅极表面的第二栅极介电层，得到图案化igzo有源层，以及在第二栅极介电层上形成窗口，使第二栅极部分暴露；图案化igzo有源层包括第一igzo有源层和第二igzo有源层，第一igzo有源层位于第一栅极介电层表面，第二igzo有源层位于第二栅极介电层表面，第一igzo有源层和第二igzo有源层之间存在间隔。
19.步骤4，通过电子束蒸发工艺在第一igzo有源层上形成第一源极和第一漏极，得到n型增强型igzo薄膜晶体管t1；在第二igzo有源层表面形成第二源极和第二漏极，并将第一漏极、第二源极、第二栅电极短接。
20.步骤5，对位于第二源极和第二漏极之间的第二igzo有源层进行氢等离子体处理，形成常开型沟道，制备得到n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2。
21.进一步的，步骤5中，氢等离子处理工艺环境为：反应功率为100w，腔室压强为1200mtorr，氢流量为170sccm，反应温度为30℃，反应时间为200s。
22.有益效果：常规的采用栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器，仍具有低增益、低摆幅等缺点。为了制备基于igzo薄膜晶体管的高性能反相器，通过氢等离子体处理工艺实现氢掺杂，使上拉网络中n型增强型igzo薄膜晶体管转变为n型耗尽型igzo薄膜晶体管，相比于将栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器，将栅源短接的n型耗尽管作为上拉器件的反相器具有更高的增益和更大的摆幅；与此同时，该工艺简单快捷，便于操作，反应所用的气体源易获取，满足大规模工业生产的需求量。
附图说明
23.为了更清晰、简洁地说明本发明的实施例，本发明提供了多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的发明、目前描述的实施例和/或示例以及目前理解的这些发明的最佳模式中的任何一者的范围的限制。
24.图1是本发明的一实施例中基于薄膜晶体管的反相器的电路示意图
25.图2是一实施例中基于薄膜晶体管的反相器的结构示意图；
26.图3是一实施例中基于薄膜晶体管的反相器的制备方法流程图；
27.图4是本发明实施例的电压转移特性曲线图。
28.其中，110、衬底；120、第一栅电极层；、130第一栅极介电层；140、第一igzo有源层；150、第一源极；152、第一漏极；
29.121、第二栅电极层；、131、第二栅极介电层；141、第二igzo有源层；151、第二源极；153、第二漏极；142、开型沟道。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。
31.附图2中给出了本发明的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使读者对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
32.目前常用的制备基于igzo薄膜晶体管的反相器的方法是将栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件、将n型增强型igzo作为下拉器件形成的反相器，该反相器相比于传统cmos反相器，仍具有低增益、低摆幅等缺点。为了制备基于igzo薄膜晶体管的高性能反相器，通过氢等离子体处理工艺实现氢掺杂，使上拉网络中的n型增强型igzo薄膜晶体管转变为n型耗尽型igzo薄膜晶体管。相比于将栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器，将栅源短接的n型耗尽型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器具有更高的增益和更大的摆幅；与此同时，该工艺简单快捷，便于操作，反应所用的气体源易获取，满足大规模工业生产的需求量。
33.一种基于igzo薄膜晶体管的反相器,包括n型增强型igzo薄膜晶体管t1和n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2，其中n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2作为上拉器件；
34.如图2所示，n型增强型igzo薄膜晶体管t1依次包括衬底110、第一栅电极层120、第一栅极介电层130和第一igzo有源层140，在第一igzo有源层140表面设置有第一源极150和第一漏极152；
35.n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2依次包括衬底110、第二栅电极层121、第二栅极介电层131和第二igzo有源层141；在第二igzo有源层141表面设置有第二源极151和第二漏极153；n型增强型igzo薄膜晶体管t1和n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2共用衬底110，第一栅电极层120和第二栅电极层121均设置在衬底110表面，材质为钼。所述n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2还包括开型沟道142，所述开型沟道142通过对位于第二源极151与第二漏极153之间区域对应的igzo有源层进行氢等离子体处理获得。
36.如图1所示，是本技术实施例的电路示意图，n型增强型igzo薄膜晶体管t1的第一
栅电极层120作为输入电极，接v
in
信号；n型增强型igzo薄膜晶体管t1的第一源极150作为接地电极，接地即接0v电压；n型增强型igzo薄膜晶体管t1的第一漏极152和n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2的第二源极151、第二栅电极层121三者短接作为输出电极，接v
out
信号；n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2的第二漏极153作为外部供电电极，接v
dd
信号。
37.衬底110可以是本领域习知的刚性基底(例如玻璃)或柔性基底。在本实施例中，衬底110为半导体衬底，例如硅衬底。需要指出的是，各膜层在图1中的尺寸只是一个示意，并不代表其实际尺寸。
38.第一栅极介电层130和第二栅极介电层131分别完全覆盖晶体管t1的栅电极层和晶体管t2的栅电极层，材质为二氧化硅。
39.第一源极150、第一漏极152、第二源极151和第二漏极153均为钼源极，在其他实施例中，也可以采用本领域习知的其他源漏材质作为源极/漏极的材料。
40.在图2所示的实施例中，栅电极层的厚度为100nm，栅极介电层厚度为100nm，源极和漏极的厚度皆为100nm，igzo有源层的厚度为20nm。
41.图3是本发明实施例中基于igzo薄膜晶体管的反相器的制备方法流程图，该方法可以用于制造图2所示的反相器，包括如下步骤：
42.步骤1，清洗衬底110，在衬底110上制备图案化的栅电极层；
43.衬底110可以是本领域习知的刚性基底(例如玻璃)或柔性基底。在本发明的一个实施例中，衬底110为半导体衬底，例如硅/氧化硅衬底。以去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水的顺序，在100w的功率下各对衬底110超声清洗五分钟，可获得供后续操作的衬底110。
44.通过在所述衬底110表面进行匀胶、光刻、烘干、曝光和显影处理，获得图案化的光刻胶，采用去胶机处理图形区域可能存在的残胶，利用磁控溅射工艺在衬底110(此时衬底表面存在图案化光刻胶)上形成钼金属层，进一步采用lift-off工艺得到图案化的栅电极层，形成第一栅电极层120和第二栅电极层121。也可以采用本领域习知的其他材质/结构作为栅电极层。在本实施例中，制备的栅电极层厚度为100nm。
45.步骤2，在具有栅电极层的衬底110上沉积栅极介电层
46.在本实施例中，通过pecvd工艺在所述栅电极层上覆盖栅极介电层，位于第一栅电极层120表面的为第一栅极介电层130，位于第二栅电极层121表面的为第二栅极介电层131，栅极介电层材质为二氧化硅。本实施例中采用的pecvd工艺参数如下：工作压强1000mtorr，通入n2o和5％浓度的sih4的比例为710:170，功率为100w，反应温度300℃。在本实施例中，制备的栅介电层厚度为100nm。
47.步骤3，在栅极介电层上形成igzo有源层。
48.在本实施例中，通过射频磁控溅射工艺在所述栅极介电层上形成igzo有源层，本实施例中采用的反应条件如下：溅射压力0.5pa，通入ar和o2的比例为45:5，溅射功率为80w，溅射时长为1000s。
49.通过在igzo有源层表面进行匀胶、光刻、烘干、曝光和显影处理，获得图案化的光刻胶，采用稀释的氢氟酸(～1％)刻蚀igzo有源层和位于第二栅极表面的第二栅极介电层131，经过去胶处理可得到图案化igzo有源层，以及第二栅极介电层131上形成窗口，使第二栅极部分暴露，用于后面步骤中将第二栅极与第一漏极152、第二源极151短接时使用；图案化igzo有源层包括第一igzo有源层140和第二igzo有源层141，第一igzo有源层140位于第
一栅极介电层130表面，第二igzo有源层141位于第二栅极介电层131表面，第一igzo有源层140和第二igzo有源层141之间存在间隔，随即进行退火处理，本实施例中的退火条件如下：温度为350℃，退火氛围为ar，退火时间为1h。在本实施例中，制备的igzo有源层厚度为20nm。
50.步骤4，在igzo有源层上形成源极、漏极。
51.在本实施例中，在所述igzo有源层表面利用电子束蒸发工艺在igzo有源层上覆盖铝al金属层，通过匀胶、光刻、烘干、曝光和显影处理，在al金属层表面获得图案化的光刻胶，采用铝al刻蚀液刻蚀al金属层(此时的al金属层表面存在图案化光刻胶)，经过去胶处理即可在第一igzo有源层140表面形成第一源极150和第一漏极152，得到n型增强型igzo薄膜晶体管t1；在第二igzo有源层141表面形成第二源极151和第二漏极153，并将第一漏极152、第二源极151、第二栅电极短接。在其他实施例中，也可以采用其他本领域习知的材质作为源区电极层/漏区电极层的材料。在本实施例中，制备的源区电极层、漏区电极层厚度为100nm。
52.步骤5，对位于第二源极151和第二漏极153之间的第二igzo有源层141进行氢等离子体处理，形成常开型沟道142，制备得到n型耗尽型igzo薄膜晶体管t2。
53.在本实施例中，通过匀胶、光刻、曝光和显影处理可在位于第二源极151和第二漏极153之间的第二igzo有源层141上表面获得以供氢掺杂的窗口，通过对其进行氢等离子体处理，形成常开型沟道142，获得n型耗尽型igzo薄膜晶体管，所述氢等离子处理工艺环境为：反应功率为100w，腔室压强为1200mtorr，氢流量为170sccm，反应温度为30℃，反应时间为200s。
54.图4是本发明实施例的转移特性曲线图，横坐标是输入信号v
in
的大小，纵坐标是输出信号v
out
的大小。可以看出，在供电电压v
dd
＝5v时的反相器增益和摆幅分别是17.93和4.95v；在供电电压v
dd
＝10v时的反相器增益和摆幅分别是49.361和9.93v。两种供电电压情况下的摆幅都接近全摆幅，在v
dd
＝10v时的反相器增益甚至达到了49.361，与采用栅漏短接的n型增强型igzo薄膜晶体管作为上拉器件的反相器相比，本发明所提供的实施例具有更高的增益和更大的摆幅，性能提升的成效显著。
55.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。