本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柔性ingaasmosfet器件，可用于具有高頻率要求的可彎曲延展等復(fù)雜多樣的非平面工作環(huán)境。

背景技術(shù)：

硅基互補金屬氧化物半導(dǎo)體cmos技術(shù)是當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)數(shù)字集成電路產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的主要原動力，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展50多年以來，在摩爾定律的指導(dǎo)下，單位芯片上可以集成的晶體管數(shù)量不斷增加，cmos器件的特征尺寸不斷縮小，相應(yīng)的器件性能不斷提高。然而受制于硅材料本身的物理特性，尺寸的不斷縮小導(dǎo)致器件功耗的增加以及可靠性的降低，摩爾定律即將到達其極限。ingaas基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管mosfet具有溝道材料電子遷移率高、電子飽和速度大、亞閾值擺幅陡峭、驅(qū)動電流大、禁帶寬度可以靈活調(diào)節(jié)以及功耗低等優(yōu)點，有望成為下一代超高速低功耗cmos器件及電路結(jié)構(gòu)的功能單元。

傳統(tǒng)的無機電子元器件只能應(yīng)用于硬質(zhì)平面結(jié)構(gòu)中，然而隨著電子器件應(yīng)用范圍的不斷擴展，如可穿戴智能電子設(shè)備、可植入型射頻識別rfid芯片，則要求下一代的電子器件需要適應(yīng)復(fù)雜多樣且非平面的工作環(huán)，如人體。同時，傳統(tǒng)的ⅲ-v器件制備工藝成本較高，器件通常需要生長很厚的外延層作為功能層材料的支撐，例如12英寸的si晶圓的襯底厚度為775μm，而實際制備器件的區(qū)域只有1μm厚。因此，較厚的支撐層材料使得iii-v族器件的制備成本較高。如果可以將高性能的ingaas基mosfet器件與成本較低的柔性材料平臺相結(jié)合，既可以大大降低工業(yè)成本，又可實現(xiàn)高性能無機器件的柔性可彎曲化，使未來的微電子器件及集成電路可以適應(yīng)非平面工作環(huán)境，具備更高的便攜性以及智能化，適合于更寬的應(yīng)用領(lǐng)域。

2012年加州伯克利大學(xué)的alijavey團隊采用納米膜轉(zhuǎn)印技術(shù)在硅襯底上集成了inasmosfet，截止頻率高達165.5ghz，是目前在硅工藝平臺上實現(xiàn)ⅲ-vmosfet的最高截止頻率；利用類似的方法，研制的以塑料作為襯底的inasmosfet截止頻率高達105ghz，是此前報道的“最快”的石墨烯材料柔性器件截止頻率的10倍。近些年來通過引入ald技術(shù)，化合物基mosfet器件的研究取得了大量可喜的進展，但由于化合物半導(dǎo)體表面復(fù)雜的物質(zhì)組成導(dǎo)致高k介質(zhì)/ⅲ-v界面態(tài)密度過大，因缺陷引發(fā)的載流子散射效應(yīng)嚴(yán)重，源/漏區(qū)歐姆接觸電阻大，ⅲ-vmosfet器件與其他材料工藝平臺兼容性差，柔性襯底不耐高溫等多方面問題，使得基于柔性襯底的mosfet器件的性能不能得到最大程度的發(fā)揮，嚴(yán)重影響了器件電學(xué)特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于柔性襯底的低in組分ingaasmosfet器件及制作方法，以降低界面態(tài)密度，減小由缺陷引發(fā)的載流子的散射效應(yīng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于柔性襯底的低in組分ingaasmosfet器件，自下而上包括襯底、半導(dǎo)體功能薄膜層、氧化層和金屬電極，其特征在于：

襯底，采用聚酰亞胺柔性襯底；

半導(dǎo)體功能薄膜層，采用由ingaas、gaas和ingaas三層薄膜層構(gòu)成力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)功能層，以保證器件的延展性和彎曲性。

作為優(yōu)選，所述聚酰亞胺柔性襯底的邊長為0.4～0.8cm，厚度為0.2～0.4mm。

作為優(yōu)選，所述功能薄膜層中第一層ingaas薄膜的厚度為10～15nm，第二層gaas薄膜的厚度為250～300nm，第三層ingaas薄膜的厚度與第一層薄膜的厚度相同。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于柔性襯底的低in組分ingaasmosfet器件的制備方法，包括以下步驟：

1)在已外延生長有ingaas/gaas/ingaas功能薄膜層和algaas犧牲層的gaas襯底上，進行源漏區(qū)硅離子注入，形成摻雜的源漏區(qū)；

2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)icp，在ingaas/gaas/ingaas功能薄膜層中刻蝕通孔至犧牲層；

3)采用稀hf酸濕法刻蝕犧牲層，使得ingaas/gaas/ingaas功能薄膜層依靠弱范德瓦耳斯力粘附在gaas襯底上；

4)在硅襯底上依次旋涂聚甲基丙烯酸甲酯pmma膠和聚酰亞胺，制備臨時襯底，采用聚二甲基硅氧烷pdms撕起薄膜層，將其轉(zhuǎn)印到臨時襯底上；

5)在轉(zhuǎn)印后的薄膜層上采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)icp刻蝕形成臺面隔離區(qū)域；

6)采用10％的nh4oh溶劑或20％的(nh4)2s溶劑鈍化薄膜層表面，并在該表面上采用原子層淀積ald10～20nmal2o3介質(zhì)；

7)在氧化后的薄膜層上旋涂光刻膠，光刻形成源漏區(qū)，用稀hf酸刻蝕源漏區(qū)表面介質(zhì)，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在整個臨時襯底表面依次淀積金屬ti/pt/au，最后采用金屬剝離lift-off工藝剝離多余金屬，形成源/漏區(qū)歐姆接觸；

8)在生長好源漏電極的薄膜層上旋涂光刻膠，光刻形成柵結(jié)構(gòu)區(qū)域，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)依次蒸發(fā)金屬ti/au，再采用lift-off工藝剝離形成柵金屬結(jié)構(gòu)，形成基于聚酰亞胺的ingaasmosfet器件；

9)利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)rie刻蝕出聚酰亞胺層臺面結(jié)構(gòu)，將樣品放置于煮沸的丙酮中，刻蝕聚酰亞胺下層的pmma膠，取出臨時襯底上基于聚酰亞胺的ingaasmosfet器件，并將其二次轉(zhuǎn)印至其他柔性材料上。

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明采用了ⅲ-v族ingaas器件，相比普通si基器件具有溝道材料電子遷移率高、電子飽和速度大、亞閾值擺幅陡峭以及功耗低等特性，適合應(yīng)用于低功耗以及高頻等多領(lǐng)域。

2.本發(fā)明采用ingaas/gaas/ingaas三層功能薄膜層，底層材料與頂層溝道材料種類、組分以及厚度完全相同，整個薄膜層構(gòu)成力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，在器件轉(zhuǎn)印過程中，功能薄膜層不會出現(xiàn)彎曲變形甚至卷起的情況，保障了轉(zhuǎn)印之后的工藝正常進行；

3.本發(fā)明采用了切向應(yīng)力主導(dǎo)的轉(zhuǎn)印技術(shù)將ingaasmosfet器件整體轉(zhuǎn)印到柔性襯底上，制作工藝簡單，成品率高，同時使器件具有良好的彎曲性，可以應(yīng)用于各種非平展環(huán)境。

4.本發(fā)明采用二次轉(zhuǎn)印技術(shù)，使得器件可以根據(jù)實際應(yīng)用需求變換襯底材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于柔性襯底的低in組分ingaasmosfet器件結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明制作基于柔性襯底的低in組分ingaasmosfet器件的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1，本發(fā)明的器結(jié)構(gòu)自下而上包括柔性襯底、半導(dǎo)體功能薄膜層和氧化層，其中半導(dǎo)體功能薄膜層由三層薄膜構(gòu)成，其中底層為ingaas薄膜層，中間層為gaas薄膜層，頂層為ingaas薄膜層，氧化層位于頂層薄膜ingaas的上面，氧化層中源漏摻雜區(qū)上方嵌有源漏金屬電極，源漏摻雜區(qū)之間的氧化層上設(shè)有柵極金屬電極。

所述由ingaas/gaas/ingaas構(gòu)成的三層薄膜構(gòu)成的半導(dǎo)體功能薄膜層，形成了一個力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件外延結(jié)構(gòu)進行“切斷”工藝后，這種功能薄膜層不會出現(xiàn)彎曲變形甚至卷起的情況，保證了后續(xù)的轉(zhuǎn)印、光刻等關(guān)鍵工藝可以正常進行。該三層薄膜的功能和厚度不同，其中頂層的ingaas為溝道層，其厚度為10～15nm，通過該層可以自行修復(fù)其與中間gaas層之間由于晶格失配所產(chǎn)生的應(yīng)力，不會發(fā)生位錯或缺陷；中間的gaas層是緩沖層，厚度為150～300nm，用于提供從襯底向頂層ingaas層的過渡，吸收襯底向外擴散的雜質(zhì)并阻止襯底缺陷延伸至頂層ingaas層中的溝道，從而保證了與溝道鄰近的外延層材料的質(zhì)量；底層的ingaas是功能薄膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡層，該層與頂層材料種類、組分以及厚度完全相同。

參照圖2，本發(fā)明制作基于柔性襯底的低in組分ingaasmosfet器件的方法，給出如下三種實施例：

實施例1，制作苯二甲酸乙二醇酯pet襯底的ingaasmosfet器件。

步驟1，源/漏區(qū)離子注入，如2(a)。

(1.1)依次采用丙酮、異丙醇以及去離子水沖洗gaas外延片表面，去除表面附著的有機污染物；

(1.2)使用1％的稀hf酸漂洗外延片表面，清除氧化物；

(1.3)采用原子層淀積法ald在外延片上的功能薄膜層上淀積厚度為10nm的al2o3，作為高能離子注入的保護層；

(1.4)在外延片表面旋涂光刻膠az5214，采用接觸式曝光在外延片上的光刻膠層形成離子注入?yún)^(qū)的光刻圖案；

(1.5)在光刻后的功能薄膜層上注入能量為18kev，劑量為1×10¹⁴cm^-2的硅離子；

(1.6)采用反應(yīng)離子刻蝕機進行氧離子刻蝕，隨后依次采用丙酮、異丙醇和去離子水清洗外延片表面，去除光刻膠；

(1.7)外延片在700℃條件下的n2氣氛圍中快速熱退火10秒，激活離子注入?yún)^(qū)中的硅摻雜。

步驟2，干法刻蝕刻蝕孔，如2(b)。

(2.1)依次采用丙酮、異丙醇及去離子水清洗gaas外延片表面，進行表面去脂處理；

(2.2)采用稀hf酸去除al2o3保護層；

(2.3)在離子注入后的外延片表面旋涂光刻膠，采用接觸式曝光在光刻膠層形成刻蝕孔區(qū)域圖形；

(2.4)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)icp，在ingaas/gaas/ingaas功能薄膜層中刻蝕通孔至犧牲層，每一個刻蝕孔的邊長為5μm，相鄰兩個刻蝕孔的間距為50μm，icp電壓源功率為500w，rf功率為50w，腔體壓力為3mtorr，bcl3的氣流流量為7sccm，ar的氣流流量為3sccm，刻蝕時間為2分鐘。

步驟3，algaas層濕法刻蝕，如2(c)。

(3.1)采用反應(yīng)氧離子刻蝕以及丙酮、異丙醇及去離子水低功率下超聲清洗，去除icp刻蝕后的光刻膠；

(3.2)采用稀hf酸濕法刻蝕犧牲層3小時，使得ingaas/gaas/ingaas功能薄膜層依靠弱范德瓦耳斯力粘附在gaas襯底上。

步驟4，薄膜層的轉(zhuǎn)印，如2(d)。

(4.1)在硅襯底上依次旋涂甲基丙烯酸甲酯pmma膠和聚酰亞胺，制備臨時襯底；

(4.2)采用聚二甲基硅氧烷pdms撕起功能薄膜層；

(4.3)使用光刻顯影液mf321處理薄膜層背面，清除薄膜層背面的刻蝕反應(yīng)殘留物；

(4.4)采用切向應(yīng)力機制主導(dǎo)的轉(zhuǎn)印方法將薄膜層轉(zhuǎn)印到臨時襯底上。

步驟5，臺面隔離刻蝕，如2(e)。

(5.1)在轉(zhuǎn)印后的薄膜層表面旋涂光刻膠s1813，曝光光刻膠層形成臺面隔離區(qū)域圖形；

(5.2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)icp刻蝕，在薄膜層上形成臺面隔離區(qū)域；

(5.3)采用丙酮、異丙醇和去離子水清洗薄膜層表面，去除光刻膠。

步驟6，淀積氧化層，如2(f)。

(6.1)將臨時襯底和薄膜層浸入到10％的nh4oh溶劑中2分鐘，鈍化薄膜層表面，再用去離子水沖洗，用氮氣吹干；

(6.2)采用原子層淀積法ald在薄膜層表面上淀積10nmal2o3介質(zhì)。

步驟7，源/漏區(qū)光刻及金屬淀積，如2(g)。

(7.1)在薄膜層表面旋涂光刻膠az5214，曝光光刻膠層形成源/漏區(qū)域圖形；

(7.2)稀hf酸刻蝕薄膜層的源/漏區(qū)上的al2o3介質(zhì)；

(7.3)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)依次在薄膜層表面淀積金屬ti/pt/au，厚度分別為10nm、10nm和150nm；

(7.4)在280℃條件退火1分鐘，形成歐姆接觸；

(7.5)采用金屬剝離lift-off工藝剝離多余金屬，形成源/漏區(qū)歐姆接觸。

步驟8，柵金屬區(qū)域光刻及電極形成，如2(h)。

(8.1)薄膜層表面旋涂光刻膠az5214，曝光光刻膠層形成柵結(jié)構(gòu)區(qū)域圖形；

(8.2)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在al2o3介質(zhì)表面依次淀積金屬ti/au，厚度分別為10nm和150nm；

(8.3)采用金屬剝離lift-off工藝剝離形成柵金屬結(jié)構(gòu)。

步驟9，ingaasmosfet器件結(jié)構(gòu)的釋放及二次轉(zhuǎn)印，如2(i)。

(9.1)利用rie刻蝕出聚酰亞胺層臺面結(jié)構(gòu)；

(9.2)將樣品放置于煮沸的丙酮中，刻蝕聚酰亞胺下層的pmma膠，取出臨時襯底上基于聚酰亞胺的ingaasmosfet器件；

(9.3)將基于聚酰亞胺的ingaasmosfet二次轉(zhuǎn)印至苯二甲酸乙二醇酯pet柔性襯底上。

實施例2，制作以聚二甲基硅氧烷pdms為襯底的ingaasmosfet器件

步驟一，源/漏區(qū)離子注入。

首先，依次采用丙酮、異丙醇以及去離子水沖洗gaas外延片表面，去除表面附著的有機污染物；

接著，使用1％的稀hf酸漂洗外延片表面，清除氧化物；

接著，采用原子層淀積法ald在外延片上的功能薄膜層上淀積厚度為10nm的al2o3，作為高能離子注入的保護層；

接著，在外延片表面旋涂光刻膠az5214，采用接觸式曝光在外延片上的光刻膠層形成離子注入?yún)^(qū)的光刻圖案；

接著，在光刻后的功能薄膜層上注入能量為20kev，劑量為1×10¹⁴cm^-2的硅離子；

接著，采用反應(yīng)離子刻蝕機進行氧離子刻蝕，隨后依次采用丙酮、異丙醇和去離子水清洗外延片表面，去除光刻膠；

然后，將外延片在750℃條件下的n2氣氛圍中快速熱退火10秒，激活離子注入?yún)^(qū)中的硅摻雜。

步驟二，干法刻蝕刻蝕孔。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟2相同，只是將腔體壓力改變?yōu)?mtorr，將bcl3的氣流流量改變?yōu)?0sccm，將ar的氣流流量改變?yōu)?sccm。

步驟三，algaas層濕法刻蝕。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟3相同

步驟四，薄膜層的轉(zhuǎn)印。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟4相同

步驟五，臺面隔離刻蝕。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟5相同。

步驟六，淀積氧化層。

(6a)將臨時襯底和薄膜層浸入到20％的(nh4)2s溶劑中2分鐘，鈍化薄膜層表面，再用去離子水沖洗，用氮氣吹干；

(6b)采用原子層淀積法ald在薄膜層表面上淀積15nm厚的al2o3介質(zhì)。

步驟七，源/漏區(qū)光刻及金屬淀積。

(7a)在薄膜層表面旋涂光刻膠az5214，曝光光刻膠層形成源/漏區(qū)域圖形；

(7b)稀hf酸刻蝕薄膜層的源/漏區(qū)上的al2o3介質(zhì)；

(7c)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)依次在薄膜層表面淀積金屬ti/pt/au，厚度分別為20nm、20nm和200nm；

(7d)在300℃條件退火1分鐘，形成歐姆接觸；

(7e)采用金屬剝離lift-off工藝剝離多余金屬，形成源/漏區(qū)歐姆接觸。

步驟八，柵金屬區(qū)域光刻及電極形成。

(8a)薄膜層表面旋涂光刻膠az5214，曝光光刻膠層形成柵結(jié)構(gòu)區(qū)域圖形；

(8b)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在al2o3介質(zhì)表面依次淀積金屬ti/au，厚度分別為20nm和200nm；

(8c)采用金屬剝離lift-off工藝剝離形成柵金屬結(jié)構(gòu)。

步驟九，ingaasmosfet器件結(jié)構(gòu)的釋放及二次轉(zhuǎn)印。

(9a)利用rie刻蝕出聚酰亞胺層臺面結(jié)構(gòu)；

(9b)將樣品放置于煮沸的丙酮中，刻蝕聚酰亞胺下層的pmma膠，取出臨時襯底上基于聚酰亞胺的ingaasmosfet器件；

(9c)將基于聚酰亞胺的ingaasmosfet二次轉(zhuǎn)印到聚二甲基硅氧烷pdms柔性襯底上。

實施例3，制作布襯底的ingaasmosfet器件

步驟a，源/漏區(qū)離子注入。

(a1)依次采用丙酮、異丙醇以及去離子水沖洗gaas外延片表面，去除表面附著的有機污染物；

(a2)使用1％的稀hf酸漂洗外延片表面，清除氧化物；

(a3)采用原子層淀積法ald在外延片上的功能薄膜層上淀積厚度為10nm的al2o3，作為高能離子注入的保護層；

(a4)在外延片表面旋涂光刻膠az5214，采用接觸式曝光在外延片上的光刻膠層形成離子注入?yún)^(qū)的光刻圖案；

(a5)在光刻后的功能薄膜層上注入能量為23kev，劑量為1×10¹⁵cm^-2的硅離子；

(a6)采用反應(yīng)離子刻蝕機進行氧離子刻蝕，隨后依次采用丙酮、異丙醇和去離子水清洗外延片表面，去除光刻膠；

(a7)外延片在800℃條件下的n2氣氛圍中快速熱退火20秒，激活離子注入?yún)^(qū)中的硅摻雜。

步驟b，干法刻蝕刻蝕孔。

(b1)依次采用丙酮、異丙醇及去離子水清洗gaas外延片表面，進行表面去脂處理；

(b2)采用稀hf酸去除al2o3保護層；

(b3)在離子注入后的外延片表面旋涂光刻膠，采用接觸式曝光在光刻膠層形成刻蝕孔區(qū)域圖形；

(b4)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)icp，在ingaas/gaas/ingaas功能薄膜層中刻蝕通孔至犧牲層，每一個刻蝕孔的邊長為5μm，相鄰兩個刻蝕孔的間距為50μm，icp電壓源功率為500w，rf功率為50w，腔體壓力為7mtorr，bcl3的氣流流量為13sccm，ar的氣流流量為7sccm，刻蝕時間為2分鐘。

步驟c，algaas層濕法刻蝕。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟3相同

步驟d，薄膜層的轉(zhuǎn)印。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟4相同

步驟e，臺面隔離刻蝕。

本步驟的具體實現(xiàn)與實施例1的步驟5相同

步驟f，淀積氧化層。

(f1)將臨時襯底和薄膜層浸入到20％的(nh4)2s溶劑中2分鐘，鈍化薄膜層表面，再用去離子水沖洗，用氮氣吹干；

(f2)采用原子層淀積法ald在薄膜層表面上淀積20nmal2o3介質(zhì)。

步驟g，源/漏區(qū)光刻及金屬淀積。

(g1)在薄膜層表面旋涂光刻膠az5214，曝光光刻膠層形成源/漏區(qū)域圖形；

(g2)稀hf酸刻蝕薄膜層的源/漏區(qū)上的al2o3介質(zhì)；

(g3)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)依次在薄膜層表面淀積金屬ti/pt/au，厚度分別為30nm、40nm和300nm；

(g4)在320℃條件退火1分鐘，形成歐姆接觸；

(g5)采用金屬剝離lift-off工藝剝離多余金屬，形成源/漏區(qū)歐姆接觸。

步驟h，柵金屬區(qū)域光刻及電極形成。

(h1)薄膜層表面旋涂光刻膠az5214，曝光光刻膠層形成柵結(jié)構(gòu)區(qū)域圖形；

(h2)利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在al2o3介質(zhì)表面依次淀積金屬ti/au，厚度分別為30nm和300nm；

(h4)采用金屬剝離lift-off工藝剝離形成柵金屬結(jié)構(gòu)。

步驟i，ingaasmosfet器件結(jié)構(gòu)的釋放及二次轉(zhuǎn)印。

(i1)利用rie刻蝕出聚酰亞胺層臺面結(jié)構(gòu)；

(i2)將樣品放置于煮沸的丙酮中，刻蝕聚酰亞胺下層的pmma膠，取出臨時襯底上基于聚酰亞胺的ingaasmosfet器件；

(i3)將基于聚酰亞胺的ingaasmosfet二次轉(zhuǎn)印至布料上。

上述描述僅是本發(fā)明的三個實施例，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然任何人均可按照本發(fā)明的構(gòu)思和方案作出變更，例如對材料的替換和參數(shù)的改變，但這些均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。