專利名稱：薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于ー種薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管，尤其是ー種使用單壁納米碳管層作為通道層的薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
自從1993年發(fā)現(xiàn)納米碳管以來，其合成及應(yīng)用的研究有如雨后春筍般展開。其中，日本東京大學(xué)丸山團(tuán)隊率先利用酒精催化化學(xué)氣相沉積(ACCVD)制備出高純度單壁納米碳管。由于其制得的納米碳管具有電性優(yōu)良、制作エ藝簡易及可以利用黃光光刻技術(shù)等優(yōu)點，得以運用于各種光電元件之中，因此最受到學(xué)者重視。另ー方面，隨著晶體管的制作エ藝技術(shù)發(fā)展及尺寸微縮，必須尋找新的材料來取代，以期繼續(xù)符合未來使用需求。曾有團(tuán)隊研究利用將碳管以分散方式制作出P型單壁納米碳管網(wǎng)晶體管，其開關(guān)比可達(dá)106且場效載子移動率可達(dá)7cm2/Vs。 大多數(shù)納米碳管晶體管操作時大多為P型特性，這被歸咎于納米碳管暴露在大氣之下，會自行與氧氣結(jié)合所導(dǎo)致，而相關(guān)研究中也有利用退火、摻雜鉀元素等方法以有效控制晶體管的N、P型操作。此外，H. Dai團(tuán)隊提出了碳管的半徑與能隙大小及不同金屬與碳管的功函數(shù)的調(diào)整會促使晶體管的特性改變的論點。IBM研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)納米碳管與電極的接面對功函數(shù)很敏感，在接面處會吸收氧氣而造成接面金屬功函數(shù)上升，功函數(shù)的上升會使負(fù)電壓側(cè)電子仍然可以通過，但相反的負(fù)電壓側(cè)的電洞由于接面勢壘過高而被截止。在過去研究中，大多是針對單根碳管，對于納米碳網(wǎng)晶體管的摻雜研究很少，而納米碳管薄膜因制作エ藝簡易、與IC制作エ藝兼容，可發(fā)展大面積制備的優(yōu)勢，將是未來新納米晶體管的主流材料之一。曾有人提到半導(dǎo)體單壁納米碳管若吸附氮氣將會成為N型半導(dǎo)體特性，而吸附了氧氣會成為P型特性。然而，發(fā)明人先前曾嘗試直接對納米碳管薄膜通入氮或氧氣體并進(jìn)行高溫回火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)會使元件特性(如，場效移動率及轉(zhuǎn)移電導(dǎo)等)下降許多，且通過拉曼分析發(fā)現(xiàn)其G/D比值下降許多，亦即，直接對碳管薄膜回火會造成碳管薄膜結(jié)構(gòu)損害，因此無法直接應(yīng)用于薄膜晶體管的制作。因此，本領(lǐng)域需要開發(fā)出一種新的單壁納米碳管的薄膜晶體管的制備方法，可將單壁納米碳管的雙極性改變成單極，而可利用單壁納米碳管作為薄膜晶體管的通道層。

發(fā)明內(nèi)容
由此，本發(fā)明提供了ー種薄膜晶體管的制備方法，包括步驟(A)提供一基板；(B)于該基板表面形成一源極電極、一漏極電極、以及一單壁納米碳管層，其中源極電極與漏極電極相隔ー距離配置，且單壁納米碳管層配置于源極電極與漏極電極之間；(C)于單壁納米碳管層的表面形成一柵極氧化層；(D)以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的表面；以及(E)形成一柵極于柵極氧化層的表面；其中，步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的溫度為500°C至600°C。本發(fā)明利用氮氣與氧氣回火的方法，于形成柵極氧化層于單壁納米碳管層的表面后進(jìn)行回火，通過調(diào)整不同的回火參數(shù)，將單壁納米碳管的雙極性改變成單極，制備成晶體管元件。詳細(xì)地說，先覆蓋柵極氧化層(如，HfOx)后，再進(jìn)行回火，一方面可使柵極氧化層的介電常數(shù)増加，另ー方面氮或氧氣體在回火過程中會滲透通過氧化層到達(dá)碳管使之改變特性?，F(xiàn)有技術(shù)中，以氮或氧氣體直接通入于納米碳管薄膜會造成元件特性下降以及G/D比下降的現(xiàn)象，因此無法制作出具有優(yōu)秀元件特性的薄膜晶體管。但相反地，本發(fā)明的技術(shù)不僅可維持納米碳管薄膜的G/D比值，更可使元件特性(如轉(zhuǎn)移電導(dǎo)、開關(guān)電流比、場效載子移動率等)増加，此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成的效果。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，該柵極氧化層的材料較佳為氧化鉿(HfOx)。本發(fā)明中利用如濺射的方法沉積氧化鉿，于未回火狀態(tài)下，單壁納米碳管層元件呈現(xiàn)雙極 性特性。而經(jīng)由使用不同氣體與不同參數(shù)針對柵極氧化層進(jìn)行回火后，發(fā)現(xiàn)可有效抑制元件的雙極性特性而變成単一極性晶體管，不僅如此，通過回火制作エ藝亦使得元件的其他特性増加，如轉(zhuǎn)移電導(dǎo)、開關(guān)電流比、場效載子移動率等。最常作為碳管晶體管的柵極氧化層材料是ニ氧化硅(SiO2),因為材料容易取得且制作エ藝簡単，但ニ氧化硅僅可單純作為柵極氧化層，并無法使用其他氣體使之明顯提高其介電常數(shù)，而利用氮氣或氧氣回火吋，此兩種氣體無法再次與ニ氧化硅作用，氮或氧原子不會滲透至碳管，因此本發(fā)明中，較佳以氧化鉿薄膜作為柵極氧化層。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，柵極氧化層的厚度較佳可為5nm-30nm。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法的步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的時間較佳可為30分鐘至I小吋。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法的步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的氣體流速較佳可為IOOsccm至500sccm。配合所使用的高溫真空爐管,真空回火制作エ藝時的壓カ皆控制在lOtorr，因此流量不宜太大或太小。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，利用氧氣或氮氣不同氣體回火，對于元件極性的影響，經(jīng)推測主要是由于兩種氣體原子分別在高溫時滲透柵極氧化層而與碳管結(jié)合，使碳管半導(dǎo)體電性改變(變成η或P)，因而使得整個元件的特性也因此改變。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法的步驟(B)中，單壁納米碳管層較佳可經(jīng)由以下步驟形成(BI)將多個含金屬的納米顆粒放入于ー溶劑中以形成一催化劑；(Β2)將該步驟(A)所提供的基板浸泡于該催化劑中；(Β3)將該經(jīng)浸泡后的基板拿出，并將該基板進(jìn)行煅燒處理；以及(Β4)加熱該經(jīng)煅燒處理后的基板，并同時提供一醇類的成長氣源，使借助該醇類的成長氣源于該基板的表面形成多個單璧納米碳管，其中，該多個單璧納米碳管互相連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的單壁納米碳管層。上述步驟(Β4)中，醇類的成長氣源較佳可選自甲醇、こ醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇、及其混合所組成的群組。上述步驟(BI)中，多個含金屬的納米顆粒的金屬較佳可選自鈷、鑰、及其混合所組成的群組。上述步驟(Β4)中，加熱該基板的溫度較佳可為600°C至900°C。上述步驟(B3)中，煅燒處理的溫度較佳可為320°C至480°C。此夕卜，上述步驟(B3)與步驟(B4)之間，較佳可更包括ー步驟(B3’ ):提供一氨氣以進(jìn)行還原反應(yīng)。另外，上述步驟(BI)中，溶劑較佳可選自こ醇、甲醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇、及其混合溶液所組成的群組。步驟(B4)所形成的單壁納米碳管層經(jīng)由拉曼散射光譜(Raman Scattering Spectrum)分析后,所得到的G/D比值較佳可為10至25。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，多個單璧納米碳管較佳以ACCVD機(jī)臺成長形成。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法的步驟(B)中，單壁納米碳管層較佳可作為一通道層，且單壁納米碳管層的厚度較佳可為IOOnm至400nm。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，柵極氧化層較佳使用濺射方式形成。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法中，所使用的基板的材質(zhì)無特殊限制，例如可為玻璃、石英、塑料、硅等。 本發(fā)明另提供ー種頂柵極(top-gate)式薄膜晶體管，包括一基板；一源極電極與一漏極電極，相隔ー距離配置于該基板表面；一單壁納米碳管層，包括有互相連接形成一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多個單璧納米碳管，該單壁納米碳管層配置于該源極電極與該漏極電極之間，且設(shè)置于該基板表面；ー柵極氧化層，配置于該單壁納米碳管層的表面，并覆蓋部分該源極電極與部分該漏極電極；以及ー柵極，配置于該柵極氧化層的表面。本發(fā)明利用氮氣與氧氣回火的技術(shù)，于形成柵極氧化層于單壁納米碳管層的表面后進(jìn)行回火，通過調(diào)整不同的回火參數(shù)，將單壁納米碳管的雙極性改變成單極，制作出頂柵極式薄膜晶體管元件?，F(xiàn)有技術(shù)中，以氮或氧氣體直接通入于納米碳管薄膜會造成元件特性下降以及G/D比下降的現(xiàn)象，因此無法得到具有單壁納米碳管層配置于源極電極與漏極電極之間的頂柵極式薄膜晶體管。但相反地，本發(fā)明的技術(shù)所提供的頂柵極式薄膜晶體管可維持納米碳管薄膜的G/D比值，更可使元件特性(如轉(zhuǎn)移電導(dǎo)、開關(guān)電流比、場效載子移動率等)増加，此為現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成的效果。本發(fā)明的頂柵極式薄膜晶體管中，該柵極氧化層的材料較佳可選自氧化鉿(HfOx)、氮氧化鉿(HfOxNy)、及其混合所組成的群組。本發(fā)明的頂柵極式薄膜晶體管中，該單壁納米碳管層經(jīng)由拉曼散射光譜(RamanScattering Spectrum)分析后,所得到的G/D比值較佳可為10至25。本發(fā)明的頂柵極式薄膜晶體管中，該單壁納米碳管層較佳可作為一通道層。本發(fā)明的頂柵極式薄膜晶體管中，該單壁納米碳管層的厚度較佳可為IOOnm至400nmo


圖IA-圖ID為本發(fā)明實施例I的頂柵極式薄膜晶體管的制備流程圖。圖2為本發(fā)明實施例1-3以及對照組I所制得的頂柵極式薄膜晶體管的元件測試結(jié)果。圖3為本發(fā)明實施例4-6以及對照組2所制得的頂柵極式薄膜晶體管的元件測試結(jié)果。圖4為未經(jīng)回火處理的單壁納米碳管薄膜晶體管的Ids-Vgs特性圖。圖5為未經(jīng)回火處理的單壁納米碳管薄膜晶體管的N型操作時的Ids-Vds特性圖。
主要元件符號說明I頂柵極式薄膜晶體管11硅基板12 ニ氧化硅層13單壁納米碳管薄膜14漏極電極15源極電極

16氧化鉿層17 柵極
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)ー步詳細(xì)說明。[實施例I]如圖IA所示，首先提供一表面具有ニ氧化硅層12的硅基板11 (步驟A)，并于此硅基板11上，以ACCVD儀器沉積成長厚度約200nm的單壁納米碳管薄膜13，并利用黃光光刻及干蝕刻技術(shù)圖案化定義出單壁納米碳管薄膜13的晶體管信道區(qū)域(步驟B)。接著，如圖IB所示，以剝離(lift-off)光刻技木，以金屬蒸鍍系統(tǒng)沉積作為漏極(drain)電極14與源極(source)電極15的電極金屬層(20nm的金/300nm的鈦)。之后以派射機(jī)沉積厚度約IOnm的氧化鉿層(HfOx) 16，以做為晶體管的柵極氧化層，如圖IC所示(步驟C)。之后，以黃光光刻技術(shù)及干蝕刻技術(shù)蝕刻氧化鉿層16并開出漏極電極14與源極電極15電極的接觸孔(contact hole)(圖未不)。接著,于550°C的溫度，以IOtorr的壓力、IOOsccm的流量,氧氣回火處理該氧化鉿層16的表面30分鐘(步驟D)。在此，氧化鉿層16于經(jīng)高溫氧氣回火時，氧原子在高溫時滲透柵極氧化層而與碳管結(jié)合，使碳管半導(dǎo)體電性改變，因而使得整個元件的特性也因此改變，而使單壁納米碳管薄膜13具有作為通道層的性質(zhì)。最后，再次利用剝離光刻技術(shù)，沉積金屬柵極16，完成整個元件的制作エ藝(步驟E)，而得到本實施例的頂柵極式薄膜晶體管I。本發(fā)明中，步驟B的單壁納米碳管薄膜13經(jīng)由以下步驟形成(BI)將多個含金屬的納米顆粒(在此使用醋酸鈷粉末、以及醋酸鑰粉末)放入于ー溶劑中以形成一催化劑，在此溶劑使用こ醇，且醋酸鈷以及醋酸鑰與こ醇的比例為[醋酸鈷以及醋酸鑰こ醇]=
O.01wt%。接著，(B2)將硅基板11浸泡于該催化劑中，使硅基板11表面附著有催化劑。而后，(B3)將該經(jīng)浸泡后的硅基板11拿出，并將該硅基板11進(jìn)行煅燒處理，其中煅燒溫度為400°C。然后，(B3’)提供氨氣與氬氣以使經(jīng)煅燒后的硅基板11表面進(jìn)行還原反應(yīng)，還原反應(yīng)在氨氣/氬氣為30/200sccm、溫度為350°C至750°C、以及壓カ為15_20torr的條件中進(jìn)行。接著，(B4)加熱該經(jīng)煅燒與還原處理后的基板至750°C，并同時提供ー醇類的成長氣源(在此是使用純度為99. 9%以上的こ醇，壓カ為690torr，溫度為50°C )，使借助該醇類的成長氣源于該基板的表面形成多個單璧納米碳管(成長時間為10分鐘，使用ACCVD儀器)，其中，該多個單璧納米碳管互相連接形成ー網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，且該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜的厚度約為200nm。如圖ID所示，本實施例的頂柵極式薄膜晶體管I包括有硅基板11，其表面具有一二氧化硅層12 ;源極電極15與漏極電極14，相隔ー距離配置于硅基板11表面；單壁納米碳管薄膜13，包括有互相連接形成一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多個單璧納米碳管(圖未示)，該單壁納米碳管薄膜13配置于源極電極15與漏極電極14之間，且設(shè)置于硅基板11表面；氧化鉿層16的柵極氧化層，配置于單壁納米碳管薄膜13的表面，并覆蓋部分源極電極15與漏極電極14 ;與門極17，配置于氧化鉿層16的表面。[實施例2]以如同實施例I的相同方法制備頂柵極式薄膜晶體管，但步驟D中氧氣回火處理所使用的氧氣流量為300sccm,而非lOOsccm。 [實施例3]以如同實施例I的相同方法制備頂柵極式薄膜晶體管，但步驟D中氧氣回火處理所使用的氧氣流量為500sccm，而非lOOsccm，且時間為60分鐘，而非30分鐘。[對照組I]以如同實施例I的相同方法制備頂柵極式薄膜晶體管，但省略步驟D，亦即不進(jìn)行氧氣回火處理。將實施例1-3以及對照組I所制得的頂柵極式薄膜晶體管進(jìn)行元件測試(P型FET操作測量)，所得到的結(jié)果如圖2以及下表I所示。[表 I]
P型FET操作測量轉(zhuǎn)移電導(dǎo)場效載子移動率I開/關(guān)電流比
Transconductance) (cnr/￥s, lield-eftect (On-Off
mobility)Current Ratio)
對照組I3.252.74 IO5
( 回火處it)」LL
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括步驟 (A)提供一基板； (B)于該基板表面形成一源極電極、一漏極電極、以及一單壁納米碳管層，該源極電極與該漏極電極相隔一距離配置，且該單壁納米碳管層配置于該源極電極與該漏極電極之間； (C)于該單壁納米碳管層的表面形成一柵極氧化層； (D)以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的表面；以及 (E)形成一柵極于該柵極氧化層的表面； 其中，該步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的溫度為500°C至600°C。
2.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該柵極氧化層的材料為氧化鉿(HfOx)。
3.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該步驟(C)中，該柵極氧化層的厚度為5nm-30nm。
4.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的時間為30分鐘至I小時。
5.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的氣體流速為IOOsccm至500sccm。
6.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該步驟(B)中，該單壁納米碳管層經(jīng)由以下步驟形成=(Bl)將多個含金屬的納米顆粒放入于一溶劑中以形成一催化劑；(B2)將該步驟(A)所提供的基板浸泡于該催化劑中；(B3)將該經(jīng)浸泡后的基板拿出，并將該基板進(jìn)行煅燒處理；以及(B4)加熱該經(jīng)煅燒處理后的基板，并同時提供一醇類的成長氣源，使借助該醇類的成長氣源于該基板的表面形成多個單璧納米碳管，其中，該多個單璧納米碳管互相連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的該單壁納米碳管層。
7.如權(quán)利要求6所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，該步驟(B4)中，該醇類的成長氣源選自甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇、及其混合所組成的群組。
8.如權(quán)利要求6所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，該步驟(BI)中，該多個含金屬的納米顆粒的金屬選自鈷、鑰、及其混合所組成的群組。
9.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該步驟(B)中，該單壁納米碳管層作為一通道層。
10.如權(quán)利要求I所述的薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，其中，該步驟(B)中，該單壁納米碳管層的厚度為IOOnm至400nm。
11.一種頂柵極(top-gate)式薄膜晶體管，其特征在于，包括 一基板； 一源極電極與一漏極電極，相隔一距離配置于該基板表面； 一單壁納米碳管層，包括有互相連接形成一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多個單璧納米碳管，該單壁納米碳管層配置于該源極電極與該漏極電極之間，且設(shè)置于該基板表面； 一柵極氧化層，配置于該單壁納米碳管層的表面，并覆蓋部分該源極電極與部分該漏極電極；以及 一柵極，配置于該柵極氧化層的表面。
12.如權(quán)利要求11所述的頂柵極式薄膜晶體管，其特征在于，其中，該柵極氧化層的材料選自氧化鉿(HfOx)、氮氧化鉿(HfOxNy)、及其混合所組成的群組。
13.如權(quán)利要求11所述的頂柵極式薄膜晶體管，其特征在于，其中，該單壁納米碳管層經(jīng)由拉曼散射光譜(Raman Scattering Spectrum)分析后,所得到的G/D比值為10至25。
14.如權(quán)利要求11所述的頂柵極式薄膜晶體管，其特征在于，其中，該單壁納米碳管層作為一通道層。
15.如權(quán)利要求11所述的頂柵極式薄膜晶體管，其特征在于，其中，該單壁納米碳管層的厚度為IOOnm至400nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜晶體管的制備方法及頂柵極式薄膜晶體管，本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法包括步驟(A)提供一基板；(B)于該基板表面形成一源極電極、一漏極電極、以及一單壁納米碳管層，該源極電極與該漏極電極相隔一距離配置，且該單壁納米碳管層配置于該源極電極與該漏極電極之間；(C)于該單壁納米碳管層的表面形成一柵極氧化層；(D)以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的表面；以及(E)形成一柵極于該柵極氧化層的表面；其中，該步驟(D)中，以氧氣或氮氣回火處理該柵極氧化層的溫度為500℃至600℃。
文檔編號H01L29/16GK102856169SQ201210136709
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者高騏, 蕭鉉樺, 鄭百勝 申請人:高騏