氧化物薄膜晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化物薄膜晶体管，包含：绝缘衬底、栅介质层、位于栅介质层一侧的栅电极，以及位于栅介质层另一侧的源极、漏极、以及源极和漏极之间的沟道层，其中，栅介质是具有质子导电特性的固态电解质，并可以通过所述栅电极偏压脉冲的施加调控所述晶体管的阈值电压。该氧化物薄膜晶体管可以是以下任意一种结构类型：底栅顶接触型、底栅底接触型、顶栅顶接触型、顶栅底接触型、底栅和顶栅相结合型。本发明专利技术能够有效降低工作电压、并能够根据需要通过栅电极偏压的施加实现对器件阈值电压的调控、简化工艺复杂度、降低工艺成本。

【技术实现步骤摘要】
氧化物薄膜晶体管及其制造方法
本专利技术涉及微电子
，具体涉及一种具有低工作电压的氧化物薄膜晶体管的结构及其制作方法。
技术介绍
薄膜晶体管(Thin-filmtransistors，TFTs)是一类重要的半导体器件，其在新一代电子产品中具有极大的应用价值，包括柔性可穿戴设备、新一代平板显示、便携式传感、生物电子学器件等。因此，薄膜晶体管已成为当代微电子技术中不可缺少的组成部分。1964年，Klasens等人报道了首个氧化物TFT，他们采用氧化锡(SnO2)作为器件的沟道层。2003年Nomura等人相继在Science和Nature上发表了铟镓锌氧(InGaZnO)TFT的有关研究成果后，相关研究进入了飞速发展期。以铟锌氧化物和铟镓锌氧化物为代表的宽帯隙氧化物半导体具有制作工艺温度低、电子迁移率较高、可见光透明、与柔性衬底兼容且生产成本较低等优点，愈来愈受到学术界和产业界的广泛关注。在这一背景下，目前已经涌现出了多种类型的氧化物TFTs。从结构上看，TFT的结构与传统的金属-氧化物-半导体(MOS)场效应晶体管类似，由源/漏电极、有源氧化物沟道层、栅介质层以及栅电极组成。各功能层是由在衬底上沉积的几十到几百纳米的薄膜构成。根据电极分布的异同，薄膜晶体管可以分为底栅结构和顶栅结构。因此，总的说来，薄膜晶体管的结构有四种：底栅交错结构、底栅共面结构、顶栅交错和顶栅共面结构。需要指出的是，在传统氧化物TFT的制作流程中，工艺路线复杂，每道工艺必须要严格控制才能获得优异的器件性能，保证器件阵列良率，因此器件工艺成本高昂，而采用光刻工艺将污染有源层。与此同时，低工作电压的氧化物TFT可以有效地减小器件和电路的功耗，在新型可穿戴电子、便携式电子学和神经形态电子器件等方面具有极强的应用前景。然而氧化物TFT通常采用传统介电氧化物薄膜作为栅介质，其电容耦合效果有限，因此通常需要较高的工作电压才能获得较高的迁移率和电流开关比，不符合低能耗、便携式应用的要求。综上所述，本领域迫切需要新型的氧化物TFT及其制造工艺，不但能够较好地解决有源层的污染，并且能够有效降低工作电压、并能够根据需要通过外电场的施加实现对器件阈值电压的调控、简化工艺复杂度、降低工艺成本。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种氧化物薄膜晶体管及其制造方法，不但能够较好地解决有源层的污染，并且能够有效降低工作电压、并能够根据需要通过外电场的施加实现对器件阈值电压的调控、简化工艺复杂度、降低工艺成本。在本专利技术的第一个方面，提供了一种氧化物薄膜晶体管，包含：绝缘衬底、栅介质层、位于该栅介质层一侧的栅电极，以及位于该栅介质层另一侧的源极、漏极、以及该源极和漏极之间的沟道层，该栅介质是具有质子导电特性的固态电解质，并可以通过所述栅电极偏压脉冲的施加调控所述晶体管的阈值电压。在另一优选例中，该氧化物薄膜晶体管为以下任意一种结构类型：底栅顶接触型、底栅底接触型、顶栅顶接触型、顶栅底接触型、底栅和顶栅相结合型。在另一优选例中，该具有质子导电特性的固态电解质为以下任意一种：疏松的氧化物介质膜、海藻酸钠膜、壳聚糖膜。在另一优选例中，该的具有质子导电特性的固态电解质的质子电导率为10-6S/cm～10-2S/cm，漏电流小于30μA/cm2，双电层电容为0.1～100μF/cm2。在另一优选例中，该的沟道层材料选自以下组：氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(InZnO)、铟镓锌氧(InGaZnO)、铟钨氧化物(IWO)。在另一优选例中，该沟道层的厚度为10nm～100nm。本专利技术还提供了一种低功耗便携式电子产品和仿生电子产品，该电子产品含有上述任一的氧化物薄膜晶体管。本专利技术还提供了一种薄膜氧化物晶体管的制造方法，包含以下步骤：提供一绝缘衬底，该绝缘衬底上形成有底栅电极；在该底栅电极上形成具有质子导电特性的固态电解质，作为栅介质层；在该栅介质层上形成图形化的漏极和源极，以及在该漏极和源极之间的沟道层；在该漏极和源极上施加恒定偏压，同时，在底栅电极上施加偏压脉冲，以实现对该薄膜氧化物晶体管的阈值电压的调控。本专利技术还提供了一种薄膜氧化物晶体管的制造方法，包含以下步骤：提供一绝缘衬底；在该绝缘衬底上形成图形化的沟道层、源极和漏极；在该沟道层上形成具有质子导电特性的固态电解质，作为栅介质层；在该栅介质层上形成顶栅电极；在该漏极和源极上施加恒定偏压，同时，在底栅电极上施加偏压脉冲，以实现对该薄膜氧化物晶体管的阈值电压的调控。本专利技术实施方式与现有技术相比，具有以下效果：(1)能够较好地解决有源层的污染。(2)有效降低工作电压。(3)能够根据需要通过外电场的施加实现对器件阈值电压的调控。(4)简化工艺复杂度，降低工艺成本。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1a,1b,1c和1d是本专利技术的一个实施例的氧化物TFT结构示意图；图2a,2b,2c是本专利技术的另一个实施例的氧化物TFT结构示意图；图3a,3b,3c是本专利技术的另一个实施例的氧化物TFT结构示意图；图4是本专利技术的一个实施例的氧化物TFT在栅电极偏压施加前后的电学特性测试结果。在各附图中：1-绝缘衬底2-底栅电极3-栅介质层(具有质子导电特性的固态电解质)4a-漏极4b-源极5-沟道6-顶栅电极具体实施方式本专利技术人经过广泛而深入的研究，发现在氧化物TFT中，如果采用质子导体电解质作为栅介质，既能够显著降低其工作电压，同时，还可以通过在栅电极上施加适当的栅极偏压，对沟道层或沟道界面层进行质子修饰，达到改善器件电学性能的目的，并且，可以实现器件的阈值电压的有效控制。术语如本文所用，“底栅型氧化物TFTs”是指栅电极处于氧化物沟道层的下方。如本文所用，“底栅顶接触结构”，其中，顶接触的意思是，源漏电极与沟道的接触位置在沟道的上方。如本文所用，“底栅底接触结构”，其中，底接触的意思是，源漏电极与沟道的接触位置在沟道的下方。如本文所用，“顶栅型氧化物TFTs”是指栅电极处于氧化物沟道层的上方。如本文所用，“顶栅顶接触结构”,其中，顶接触的意思是，源漏电极与沟道的接触位置在沟道的上方。如本文所用，“顶栅底接触结构”，其中，底接触的意思是，源漏电极与沟道的接触位置在沟道的下方。如本文所用，“顶栅和底栅相结合的器件结构”，该结构中包含了顶栅型氧化物TFT和底栅型氧化物TFT。如本文所用，“质子导体电解质”，即，具有质子导电特性的固态电解质，例如：疏松的氧化物介质膜、海藻酸钠膜、壳聚糖膜，在本专利技术中性能表现较好的是疏松SiO2薄膜和疏松Al2O3薄膜。如本文所用，“阈值电压”定义如下：在晶体管转移曲线中(即在固定源漏偏压(Vds)条件下，沟道电流(Ids)随栅源电压(Vgs)变化的关系曲线)，有如下关系：Ids＝WμC(Vgs-Vth)2/2L，式中C、W、L和μ为栅介质单位面积电容、沟道宽度、沟道长度及沟道载流子的迁移率，式中Vth即为阈值电压。“工作电压”定义如下：上面式中的电压Vds、Vgs均小于U，而在转移曲线上没有Vds、Vgs、Vth高于U范围的性能曲线，并且转移曲线上能看到Ids开启的饱和部分(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化物薄膜晶体管，包含：绝缘衬底、栅介质层、位于所述栅介质层一侧的栅电极，以及位于所述栅介质层另一侧的源极、漏极、以及所述源极和漏极之间的沟道层，其特征在于，所述栅介质是具有质子导电特性的固态电解质，并可以通过所述栅电极偏压脉冲的施加调控所述晶体管的阈值电压。

【技术特征摘要】
1.一种氧化物薄膜晶体管，包含：绝缘衬底、栅介质层、位于所述栅介质层一侧的栅电极，以及位于所述栅介质层另一侧的源极、漏极、以及所述源极和漏极之间的沟道层，其特征在于，所述栅介质是具有质子导电特性的固态电解质，并可以通过所述栅电极偏压脉冲的施加调控所述晶体管的阈值电压。2.如权利要求1所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述氧化物薄膜晶体管为以下任意一种结构类型：底栅顶接触型、底栅底接触型、顶栅顶接触型、顶栅底接触型、底栅和顶栅相结合型。3.如权利要求1所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述具有质子导电特性的固态电解质为以下任意一种：疏松的氧化物介质膜、海藻酸钠膜、壳聚糖膜。4.如权利要求1所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的具有质子导电特性的固态电解质的质子电导率为10-6S/cm～10-2S/cm，漏电流小于30μA/cm2，双电层电容为0.1～100μF/cm2。5.如权利要求1所述的氧化物薄膜晶体管，其特征在于，所述的沟道层材料选自以下组：氧化锌(ZnO)、氧化铟锌(InZnO)、铟镓锌氧(InG...

【专利技术属性】
技术研发人员：竺立强，刘锐，肖惠，付杨明，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33