[发明专利]氧化物薄膜晶体管及其制造方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，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。

背景技术

薄膜晶体管(Thin-film transistors，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。

发明内容

本发明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。

在本发明的第一个方面，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。