[发明专利]一种纳米氧化锌场效应晶体管的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种纳米氧化锌场效应晶体管的制作方法。

背景技术

近年来，平板显示器件已经成为信息产业的重要组成部分。薄膜晶体管作为有源矩阵液晶显示器中的开关点阵或者驱动电路，对产品性能有直接的影响。载流子迁移率是表征薄膜晶体管性能的一项重要指标，高迁移率场效应晶体管具有高驱动电流低功耗的特点。传统的非晶硅场效应晶体管迁移率较低(<1cm²/(V·s))，不能适应显示器件高速高亮度的要求。虽然多晶硅场效应晶体管迁移率较高，但由于需要高温工艺无法与玻璃衬底相结合而难以得到广泛的应用。相比之下，ZnO具有生长温度低，化学性能稳定以及迁移率相对较高(>1cm²/(V·s))的优点，因此在薄膜晶体管的应用中具有良好的前景。并且在可见光范围内ZnO薄膜具有高透过率的特点，目前通过在普通玻璃以及塑料衬底上生长ZnO薄膜可以实现全透明器件，从而有效的提高通孔率降低产品功耗。

目前报道的氧化锌场效应晶体管的迁移率在0.1-10cm²/(V·s)之间，器件性能很难有进一步的提升。这是因为在低温条件下生长的ZnO为多晶薄膜，大量晶界缺陷的存在限制了载流子的输运过程。单晶ZnO的迁移率高达200cm²/(V·s)，因此如果采用单晶ZnO作为导电沟道层，将有效提高场效应晶体管的电学性能。相比单晶ZnO薄膜的复杂高温工艺，ZnO纳米棒具有良好的单晶性能，并且制备简单，生长温度低(<100℃)，通过对籽晶层的控制可以实现ZnO纳米棒的区域定向生长，因此ZnO纳米器件具有目前薄膜晶体管无法相比的优点。目前报道的ZnO纳米棒场效应晶体管制作工艺主要分为两类，一类是将生长好的纳米棒进行分散，再旋涂到栅介质衬底上，然后通过扫描电子显微镜(SEM)定位在纳米棒两端制备出源、漏电极接触，这种晶体管具有较好的迁移率。但是由于旋涂到衬底上纳米棒位置的随机性，此方法难以实现工业化生产。另一类方法是先在源漏电极上大面积生长纳米棒，当纳米棒之间有一定的连接时便可形成导电沟道。但是由于存在大量的纳米棒之间所形成的“结”，相当于存在晶界缺陷而影响了器件的性能。

发明内容

本发明工艺简单、成本低廉、可以大规模制备高迁移率的场效应晶体管。

本发明针对目前非晶Si和ZnO场效应晶体管存在的迁移率问题，通过选择性淀积籽晶层实现ZnO纳米棒的定向生长，在场效应晶体管的源漏电极之间横向生长ZnO纳米棒作为沟道层，利用单晶ZnO纳米棒的优良电学特性制作高迁移率的场效应晶体管。该方法能够有效提高场效应晶体管的迁移率，同时又具备工艺方法简单，可以在玻璃衬底甚至柔性衬底上大面积生长的优点。

本发明所述的纳米ZnO场效应晶体管，包括栅电极，栅绝缘层，源漏电极，导电沟道层，其特征在于所述场效应晶体管的沟道层为横向生长的ZnO纳米棒结构。本发明所述的栅电极和源漏电极材料厚度为50nm-1um，栅绝缘层厚度为10nm-500nm，导电沟道层为本征ZnO，n型ZnO或者p型ZnO的纳米棒结构，导电沟道层的厚度为10nm-200nm。

本发明所述纳米ZnO场效应晶体管的制备方法，其特征是在选择淀积的栅电极上外延生长栅绝缘层材料，然后通过光刻工艺或者纳米压印实现源漏电极图形。其关键工艺在于实现ZnO纳米棒在源漏电极之间的横向生长。ZnO纳米棒工艺具有在图形化籽晶层上能够定向生长，在未处理衬底上不能生长或者随意生长的特点，在源、漏侧墙上选择生长籽晶层，通过籽晶层的作用在侧墙上横向生长单晶ZnO纳米棒。所需生长纳米棒长度视导电沟道长度而定，通过改变生长溶液浓度、温度和时间，可以改变ZnO纳米棒的长度。此关键工艺中籽晶层的定位可以采用物理气相淀积(PVD)斜蒸发或者斜溅射、干法刻蚀的方法在源漏电极侧面形成边墙，即先大面积淀积ZnO籽晶层然后采用等离子刻蚀(RIE)，利用等离子刻蚀各向异性的特点，仅保留侧壁上的籽晶层。最后通过溶液法在已经定义好位置的籽晶层上定向生长ZnO纳米棒，该方法包括以下步骤：

(1)通过光刻腐蚀或者剥离工艺制作图形化栅电极，可以利用负版光刻之后腐蚀，或者正版光刻之后进行剥离工艺，栅电极材料为ITO、Al、Au、Pt、Ni、Ti、ZnO:Al、ZnO:Ga、TiN、TaN、Ru和Si中任意一种或者其中两者组合的双层结构，且不限于上述材料，淀积的方法可以采用物理气相淀积，如溅射、蒸发等方法或者化学气相淀积。