具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层及制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：清洗基底后干燥该基底，在基底上蒸镀上一层厚度为70‑150nm的铝膜作为栅极；采用丝网印刷方法在铝膜上印上一层光阻材料作为掩膜，固化1‑2分钟；将基底作为阳极，将一导电材料作为阴极，将阳极和阴极浸泡在电解液中，在阳极和阴极之间施加恒定电流，以使未被掩膜覆盖的铝膜氧化形成氧化铝，用有机溶剂洗去掩膜，得到限域生长的氧化铝介电层。基于本发明的制备方法制备电路中的共栅极连接位点及图案化限域生长的氧化铝介电层操作简单，不需要对氧化铝进行二次图案化刻蚀。

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜晶体管制备技术领域，具体来说涉及一种具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，薄膜晶体管(TFT)已经成为平板显示行业中显示驱动背板的核心部件，随着大规模集成电路技术的发展，器件尺寸，包括介电层厚度越来越小，其减小趋势遵循摩尔定律。然而在TFT器件中，介电层大都基于氧化硅材料，随着氧化硅厚度减小，介电层的漏电流会逐渐增大，引起器件的高能耗及散热问题。为解决相关问题，高介电常数(高k)的介电层便会被用来代替氧化硅以减小栅极漏电流和增大电容密度，因此制备新型可替代氧化硅的高k介电层是实现进一步提高集成电路性能和集成度的首要任务。目前成为研究热点的高k材料包括AlO

另外，半导体制造分为晶圆制造和集成电路制造，图案化技术是集成电路制造中必不可少的一部分，常用的图案化技术包括光刻显影和刻蚀工艺，使用光刻显影的方法制造掩膜图案，操作复杂，需要进行前处理、匀胶、前烘、对准曝光、显影、后烘等一系列操作，带来高能耗、高污染、高成本等一系列问题。如何采用低成本的方法实现图案化以代替光刻工艺成为了一个难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层的制备方法，其在阳极氧化过程中实现图案化限域生长的氧化铝介电层(氧化铝)，以便在无需对氧化铝进行二次刻蚀的情况下创建基于阳极氧化铝TFT的集成电路中栅极连接位点。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的限域生长的氧化铝介电层。

本发明的另一目的是提供上述限域生长的氧化铝介电层在场效应晶体管中的应用。

本发明的另一目的是提供一种基于丝网印刷的图案化氧化铝介电层和栅极的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的图案化氧化铝介电层和栅极。

本发明的另一目的是提供上述图案化氧化铝介电层和栅极在场效应晶体管中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层的制备方法，包括以下步骤：

1)真空沉积栅极：

清洗基底后干燥该基底，在所述基底上蒸镀上一层厚度为70-150nm的铝膜作为栅极；

在所述步骤1)中，干燥该基底的方法为用氮气吹干。

在所述步骤1)中，所述基底为刚性基底或柔性基底，所述刚性基底为石英片或载玻片，所述柔性基底为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

在所述步骤1)中，所述氮气的纯度为99.999％。

2)采用丝网印刷方法在所述铝膜上印上一层光阻材料作为掩膜，固化1-2分钟；

在所述步骤2)中，所述丝网印刷方法中所采用的丝网为300-500目，丝网印刷时刮板的移动速度为5-20mm/s。

在所述步骤2)中，所述掩膜的图案为沿矩形矩阵排布的长方形光阻材料层，所述长方形光阻材料层的尺寸为300μm×300μm。

在所述步骤2)中，所述光阻材料为正光阻材料或负光阻材料。

在所述步骤2)中，所述固化的温度为40～80℃。

3)电化学阳极氧化：

将所述基底作为阳极，将一导电材料作为阴极，将所述阳极和阴极浸泡在电解液中，在所述阳极和阴极之间施加恒定电流，以使未被步骤2)掩膜覆盖的铝膜氧化形成氧化铝，用有机溶剂洗去掩膜，得到限域生长的氧化铝介电层。

在所述步骤3)中，所述导电材料为Pt、Au或石墨。

在所述步骤3)中，所述恒定电流的密度为0.007～0.07mA/cm

在所述步骤3)中，所述有机溶剂为异丙醇、乙醇或二氯甲烷。

上述限域生长的氧化铝介电层在场效应晶体管中的应用。

在上述技术方案中，在所述限域生长的氧化铝介电层的氧化铝介电层上覆盖一层有机物薄膜，再在所述有机物薄膜上贴合上掩膜版，真空蒸镀银层作为源电极和漏电极，得到场效应晶体管。

在上述技术方案中，在所述限域生长的氧化铝介电层上贴合上掩膜版，真空蒸镀有机物以形成有机物薄膜，再贴合一掩膜版，真空蒸镀银层作为源电极和漏电极，得到场效应晶体管。

在上述技术方案中，所述有机物薄膜的材质为C8-BTBT或C10-DNTT。

在上述技术方案中，所述场效应晶体管的移率能为2.6～3cm

本发明的限域生长的氧化铝介电层的制备方法的有益效果如下：

1、选择基于阳极氧化的氧化铝生长，可以避开热生长或者溶剂-凝胶法、物理气相沉积所需的高温加热要求，降低生产成本，有利于大规模生产。

2、基于本发明的制备方法制备电路中的共栅极连接位点及图案化限域生长的氧化铝介电层操作简单，不需要对氧化铝进行二次图案化刻蚀，因为氧化铝和铝的化学性质接近，如果单独刻蚀氧化铝需要复杂保护工艺，极大增加了制备成本，相较于使用热生长氧化铝并且进行二次刻蚀的方法，本发明的制备方法得到的氧化铝漏电流密度低并且变化范围小，显示了其性能稳定并且优良。

3、通过本发明得到的氧化铝介电层的表面粗糙度低于2nm，表面光滑，为后续晶体管的制备提供了优良的接触界面，有利于得到更好的器件性质。

4、基底既可为刚性基底，也可以为柔性基底，从而可以制备成刚性器件或柔性器件。当采用柔性基底时可以制作电子皮肤、柔性器件。

5、本发明的制备方法步骤简洁，得到制备电路所需的栅极连接位点，可以组成复杂的逻辑电路，例如反相器、触发器等。

一种基于丝网印刷的图案化氧化铝介电层和栅极的制备方法，包括以下步骤：

a)将所述限域生长的氧化铝介电层浸没入异丙醇中，超声5～10分钟，干燥，采用丝网印刷方法在所述氧化铝介电层上丝网印刷一层光刻胶作为抗蚀层，固化1-2分钟；

在所述步骤a)中，所述干燥为用氮气吹干。

在所述步骤a)中，所述氮气的纯度为99.999％，所述丝网印刷方法中所采用的丝网为300-500目，丝网印刷时刮板的移动速度为5-20mm/s。

在所述步骤a)中，所述光刻胶为正光阻材料或负光阻材料。

在所述步骤a)中，所述固化的温度为40～80℃。

在所述步骤a)中，所述抗蚀层的图案为沿矩形矩阵排布的光刻胶层，所述光刻胶层的尺寸为700μm×700μm。

b)将步骤a)所得基底放入刻蚀液中，直至未被抗蚀层覆盖的氧化铝介电层被刻蚀掉，清洗所述抗蚀层，得到图案化氧化铝介电层和栅极。

在所述步骤b)中，所述刻蚀液为磷酸水溶液，所述刻蚀液中磷酸的浓度为60～90wt％。

在所述步骤b)中，清洗所述抗蚀层的方法为：先采用水冲洗掉所述刻蚀液，再采用有机清洗液冲洗掉抗蚀层，所述冲洗的时间至少为10s，所述有机清洗液为异丙醇、乙醇或二氯甲烷。

在所述步骤b)之后，进行修饰步骤：将图案化氧化铝介电层和栅极浸泡入修饰液中至少2小时后清洗。

在所述修饰步骤中，所述修饰液为十八烷基磷酸溶液，溶剂为异丙醇。

在上述技术方案中，所述修饰液中十八烷基磷酸的浓度为2～4mM。

在所述修饰步骤中，所述清洗采用的为异丙醇，清洗时间为5～10min。

上述图案化氧化铝介电层和栅极在场效应晶体管中的应用。

在上述技术方案中，场效应晶体管的制备方法为：在所述图案化氧化铝介电层和栅极的氧化铝介电层上覆盖一层有机物薄膜，再在所述有机物薄膜上贴合上掩膜版，真空蒸镀银层作为源电极和漏电极，得到场效应晶体管。

在上述技术方案中，场效应晶体管的制备方法为：在所述图案化氧化铝介电层和栅极的氧化铝介电层上贴合上掩膜版，真空蒸镀有机物以形成有机物薄膜，再贴合一掩膜版，真空蒸镀银层作为源电极和漏电极，得到场效应晶体管；将多个场效应晶体管连接成Pseudo-D反相器。

在上述技术方案中，所述有机物薄膜的材质为C8-BTBT或C10-DNTT。

在上述技术方案中，所述场效应晶体管的移率能为3～5cm

本发明基于丝网印刷图案化氧化铝介电层和栅极的制备方法的有益效果如下：

1、本发明的制备方法操作简单，只需要两步便可得到图案化氧化铝介电层和栅极，采用丝网印刷方法印刷抗蚀层，可以简单快捷的得到各种图案，为后续的电路设计提供了更好条件，可以用以制备复杂电路，而不需要像传统光刻和刻蚀图案化技术一样操作复杂且耗时。

2、在本发明中，选择单一的中强酸磷酸溶液，而不是复杂的混合溶液，减少使用强酸操作的危险性，避免使用强酸所需要的复杂使用步骤。固化完成后，浸泡入刻蚀液中，刻蚀完成后，使用有机清洗液清洗基底，然后得到图案化之后的介电层和栅极，如图10所示。

3、通过一系列操作后得到的图案化后的氧化铝介电层漏电流密度低并且变化范围小，性质优良，有利于得到更好的器件性能，制备的TFT器件以及Pseudo-D反相器性质突出，可以应用于半导体产业中的集成电路制造。

附图说明

图1为本发明限域生长的氧化铝介电层的制备方法的流程；

图2为本发明实施例中电化学阳极氧化设置的示意图；

图3(a)为步骤2)完毕后的横截面示意图，图3(b)为实施例2步骤2)丝网印刷后获得掩膜的光学图片；图3(c)为图3(b)的放大图；

图4(a)为步骤3)完毕后的横截面示意图，图4(b)为实施例2步骤3)得到的氧化铝介电层及栅极位点光学图片；图4(c)为图4(b)的放大图；

图5为本发明实施例2中不同栅极位点之间的电流-电压图；

图6为本发明实施例2中得到的铝(左)和氧化铝(右)的AFM图；

图7为本发明实施例1中制备的C8-BTBT晶体管的转移特性曲线；

图8为本发明实施例2中制备的C10-DNTT晶体管的转移特性曲线；

图9为本发明图案化氧化铝介电层和栅极的制备方法的流程；

图10(a)为步骤b)完毕后的横截面示意图，图10(b)为实施例3步骤b)得到的图案化氧化铝和栅极的光学图片；图10c)为图10(b)的放大图；

图11为本发明实施例3中图案化氧化铝介电层J–V；

图12为本发明实施例3中单个器件的转移曲线；

图13为本发明实施例4中图案化氧化铝介电层J–V；

图14为本发明实施例4中单个器件的转移曲线；

图15(a)反相器结构设计示意图，(b)反相器样品光学照片，(c)基于本发明制备的反相器增益。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

氮气的纯度为99.999％

实施例1

如图1所示，一种具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层的制备方法，包括以下步骤：

1)真空沉积栅极：

准备一基底，基底为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。清洗基底后用氮气吹干该基底，在基底上蒸镀上一层厚度为100nm的铝膜作为栅极；

2)采用丝网印刷方法在铝膜上印上一层光阻材料作为掩膜，确定图案印刷清楚，如图3(3(a)、3(b)和3(c))所示，60℃固化2分钟(为了减少电解池中电解液对掩膜区域内图案的侵蚀，需要对掩膜进行固化)；其中，光阻材料为光刻胶。丝网印刷方法中所采用的丝网为500目，丝网印刷时刮板的移动速度为20mm/s，掩膜的图案为沿矩形矩阵排布的长方形光阻材料层，长方形光阻材料层的尺寸为300μm×300μm。

3)电化学阳极氧化：

将印刷有掩膜的基底作为阳极，准备石墨作为导电材料，将导电材料作为阴极，将阳极和阴极浸泡在电解液中，如图2所示，在阳极和阴极之间施加密度为0.07mA/cm

制备柔性低压C8-BTBT场效应晶体管：通过步骤1)～3)制备得到的柔性的限域生长的氧化铝介电层，通过溶液剪切法，在氧化铝介电层刮涂上一层C8-BTBT薄膜，厚度为27-30nm，然后再在C8-BTBT薄膜表面贴合上掩模版(掩模版定制于北京新兴百瑞技术有限公司，宽长比为3:1)，通过真空蒸镀40nm厚的银作为源、漏电极，得到C8-BTBT晶体管，其中，沟道宽长比为3：1。在电性能测试仪器Kerthley4200 CSC上测试电学性能，该C8-BTBT晶体管的转移特性曲线如图7所示，体现出典型p型场效应晶体管的性质，并且饱和电压低至5伏，制备的柔性低压的C8-BTBT晶体管迁移率能达到3cm

实施例2

一种具有共栅极接触位点的限域生长的氧化铝介电层的制备方法，包括以下步骤：

1)真空沉积栅极：

准备一基底，基底为载玻片。清洗基底后用氮气吹干该基底，在基底上蒸镀上一层厚度为100nm的铝膜作为栅极；

2)采用丝网印刷方法在铝膜上印上一层光阻材料作为掩膜，确定图案印刷清楚，60℃固化2分钟(为了减少电解池中电解液对掩膜区域内图案的侵蚀，需要对掩膜进行固化)；其中，光阻材料为光刻胶。丝网印刷方法中所采用的丝网为500目，丝网印刷时刮板的移动速度为20mm/s，掩膜的图案为沿矩形矩阵排布的长方形光阻材料层，长方形光阻材料层的尺寸为300μm×300μm。。

3)电化学阳极氧化：

将印刷有掩膜的基底作为阳极，准备石墨作为导电材料，将导电材料作为阴极，将阳极和阴极浸泡在电解液中，在阳极和阴极之间施加密度为0.07mA/cm

使用Keithley 4200 CSC对制备得到限域生长的氧化铝介电层的不同栅极位点进行导通性测试，如图5所示，可以发现，不同的栅极连接位点是相互导通的，为以后制备反相器等复杂电路提供栅极。使用扫描探针显微镜(AFM)对制备得到的限域生长的氧化铝介电层和栅极位点表面进行粗糙度的测定，如图6所示，铝和氧化铝均方根粗糙度分别为2.52和1.45nm，表面光滑，为后续晶体管的制备提供了优良的接触界面，有利于得到更好的器件性质。

制备低压C10-DNTT场效应薄膜晶体管：在通过步骤1)～3)制备得到的限域生长的氧化铝介电层上贴合上掩模版(掩模版定制于北京新兴百瑞技术有限公司，宽长比为5：1)。通过真空蒸镀40nm厚的C10-DNTT薄膜，然后再在C10-DNTT薄膜表面贴合上掩模版(掩模版定制于北京新兴百瑞技术有限公司，宽长比为3：1)，通过真空蒸镀40nm厚的银作为源漏电极，得到C10-DNTT晶体管，其中，沟道宽长比为3：1。在电性能测试仪器Keithley 4200 CSC上测试电学性能，转移曲线如图8所示，体现出典型p型场效应晶体管的性质，并且饱和电压低至5伏，可以发现制备的C10-DNTT晶体管迁移率能达到2.6cm

实施例3

如图9所示，一种基于丝网印刷图案化氧化铝介电层和栅极的制备方法，包括以下步骤：

a)将实施例2中所得限域生长的氧化铝介电层的氧化铝介电层浸没入异丙醇中，超声5分钟，使用氮气吹干，采用丝网印刷方法在氧化铝介电层上丝网印刷一层光刻胶作为抗蚀层(确定图案印刷清楚)，80℃固化2min，其中，光刻胶为正光刻胶，丝网印刷方法中所采用的丝网为500目，丝网印刷时刮板的移动速度为20mm/s，抗蚀层的图案为沿矩形矩阵排布的光刻胶层，光刻胶层的尺寸为700μm×700μm的正方形；

b)将步骤a)所得基底放入刻蚀液中，直至未被抗蚀层覆盖的氧化铝介电层被刻蚀掉，清洗抗蚀层，得到图案化氧化铝介电层和栅极(栅极以及位于其上的图案化的氧化铝介电层)，其中，刻蚀液为磷酸水溶液，刻蚀液中磷酸的浓度为85wt％，清洗抗蚀层的方法为：先采用水冲洗掉刻蚀液，再采用异丙醇冲洗掉抗蚀层，冲洗的时间为10s。

使用Keithley 4200 CSC对制备得到的介电层的漏电流密度进行测试，如图11电流-电压图所示，在低压下，漏电流密度低于10

制备低压C8-BTBT场效应晶体管：在通过步骤a)～b)制备得到的图案化氧化铝介电层上，通过溶液剪切法，刮涂上一层C8-BTBT薄膜，厚度为27-30nm，然后再在C8-BTBT薄膜表面贴合上掩模版(掩模版定制于北京新兴百瑞技术有限公司，宽长比为5：1)，通过真空蒸镀40nm厚的银作为源漏电极，得到C8-BTBT晶体管，其中，沟道宽长比为5：1。在电性能测试仪器Kerthley4200 CSC上测试电学性能，该C8-BTBT晶体管转移特性曲线及漏电流如图12所示，可以发现制备的柔性C8-BTBT晶体管迁移率能达到5cm

实施例4

一种基于丝网印刷图案化氧化铝介电层和栅极的制备方法，包括以下步骤：

a)将实施例2中所得限域生长的氧化铝介电层的氧化铝介电层浸没入异丙醇中，超声5分钟，使用氮气吹干，采用丝网印刷方法在氧化铝介电层上丝网印刷一层光刻胶作为抗蚀层(确定图案印刷清楚)，80℃固化2min，其中，光刻胶为正光刻胶，丝网印刷方法中所采用的丝网为500目，丝网印刷时刮板的移动速度为20mm/s，抗蚀层的图案为沿矩形矩阵排布的光刻胶层，光刻胶层的尺寸为700μm×700μm的正方形；

b)将步骤a)所得基底放入刻蚀液中，直至未被抗蚀层覆盖的氧化铝介电层被刻蚀掉，清洗抗蚀层，得到图案化氧化铝介电层和栅极，其中，刻蚀液为磷酸水溶液，刻蚀液中磷酸的浓度为85wt％，清洗抗蚀层的方法为：先采用水冲洗掉刻蚀液，再采用异丙醇冲洗掉抗蚀层，冲洗的时间为10s。

在步骤b)之后，进行修饰步骤：将图案化氧化铝介电层和栅极浸泡入修饰液中2小时，采用异丙醇清洗5min，修饰液为十八烷基磷酸溶液，修饰液的溶剂为异丙醇，修饰液中十八烷基磷酸的浓度为2mM。

使用Keithley 4200 CSC对制备得到的介电层的漏电流密度进行测试，可以发现，在低压下，漏电流密度低于10

制备Pseudo-D反相器：在通过步骤a)～b)制备得到的图案化氧化铝介电层上贴合上掩模版。通过真空蒸镀上40nm厚的C10-DNTT薄膜，然后再在C10-DNTT薄膜表面贴合上掩模版(掩模版定制于北京新兴百瑞技术有限公司，宽长比根据电路设计定制)，通过真空蒸镀40nm银作为源漏电极，得到4个C10-DNTT场效应薄膜晶体管，4个C10-DNTT场效应薄膜晶体管的掩模版的宽长比依次为2：1、6：1、6：1、10：1，将4个C10-DNTT场效应薄膜晶体管按照图15(a)反相器结构设计示意图所示相互连接，得到Pseudo-D反相器，如图15(a)所示，Pseudo-D反相器的沟道宽长比由上至下为2：1、6：1、6：1、10：1。在电性能测试仪器Keithley4200 CSC上测试电学性能，转移曲线及栅极漏电流如图14所示，可以发现制备的C10-DNTT场效应薄膜晶体管迁移率能达到3cm

关于资助研究或开发的声明

本发明得到中国科学技术部(批准号：2016YFB0401100和2017YFA0204503)，国家自然科学基金(51702297,51633006,51725304,51733004,51703159和51703160)以及战略重点研究的资金支持。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。