專利名稱：場效應晶體管互補反相器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管，更具體地說，涉及場效應晶體管互補反相器及其制備方法。
背景技術：
互補的金屬氧化物半導體(CMOS)反相器是構成數字集成電路的核心單元。為了在芯片上實現較多的功能和較快的速度則需要在單一芯片上集成較多的晶體管，這就要求減小晶體管的尺寸和導線所占據的面積，所以近幾年芯片上晶體管的尺寸已經從微米級快速的減小到納米級(目前高端芯片的尺寸已經達到26nm級別)，可是當集成電路的線寬到IOnm以下時則會給芯片的制造帶來較大的困難，所以僅僅依靠減小尺寸來增加集成度將不會持續(xù)太久。這就迫使將集成電路向立體多器件層的方向發(fā)展。通常，互補反相器包括一起安裝于基板上的PMOS晶體管和NMOS晶體管以互補彼此的功能，并將NMOS晶體管和PMOS晶體管的漏極連接作輸出端，將它們的柵極連接作輸入端，NMOS晶體管源極接地，PMOS晶體管源極接電源電壓VDD，從而這種互補反相器具有兩個晶體管的占用面積。為了降低互補反相器的占用面積，已有的設計是采用PMOS晶體管和NMOS晶體管共用的公共柵極，這種布局可降低一定的占用面積。由于互補反相器在電子電路設計中的普及，進一步降低互補反相器的占用面積是目前的期望所在。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種進一步降低互補反相器占用面積的場效應晶體管邏輯反相器。為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:—種場效應晶體管互補反相器，包括:基板、N型場效應晶體管、與該N型場效應晶體管成對設置的P型場效應晶體管，該N型場效應晶體管和P型場效應晶體管共用一個柵電極并作為該互補反相器的輸入端，該N型場效應晶體管的漏極和P型場效應晶體管的漏極連接作為該互補反相器的輸出端；該基板上設有多個垂直分布的器件層，該N型場效應晶體管和P型場效應晶體管分別位于不同的器件層，分別為第一器件層和第二器件層。采用上述結構的互補反相器，由于將N型場效應晶體管和P型場效應晶體管布置于垂直分布的不同器件層，形成了 N型場效應晶體管位于P型場效應晶體管上方或P型場效應晶體管位于N型場效應晶體管上方的垂直布局，從而進一步降低了互補反相器的占用面積，有益于提聞電路的集成度。作為本發(fā)明上述場效應晶體管互補反相器的進一步改進，第一器件層上的場效應晶體管和第二器件層上的場效應晶體管占用的基板面積不同。從而可以在占用面積較小的晶體管所在的器件層上布置其他的晶體管以實現集成電路的其他功能。作為本發(fā)明上述場效應晶體管互補反相器的一種優(yōu)選方案:該第一器件層和第二器件層上設有至少一個通孔，該通孔中填有金屬材料以連接所述N型場效應晶體管的漏極和P型場效應晶體管的漏極。作為本發(fā)明上述場效應晶體管互補反相器的另一種方案:該第二器件層上晶體管的漏極越過所述多個器件層向下延伸，與所述第一器件層上晶體管的漏極連通。本發(fā)明還公開了一種制備場效應晶體管互補反相器的方法，包括如下步驟:在基板上形成第一器件層場效應晶體管的源電極、漏電極、有源層和柵絕緣層；形成第一器件層場效應晶體管和第二器件層場效應晶體管共用的柵電極；形成第二器件層場效應晶體管的柵絕緣層、有源層、源電極和漏電極；連通該第一、第二器件層場效應晶體管的漏電極。


圖1為本發(fā)明的場效應晶體管互補反相器一個實施例的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的場效應晶體管互補反相器另一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。根據本發(fā)明的一個實施例，如圖1所示，組成場效應晶體管互補反相器的N型場效應晶體管和P型場效應晶體管分布在兩個不同的器件層，N型場效應晶體管形成在P型場效應晶體管的上方或者P型場效應晶體管形成在N型場效應晶體管的上方；第一器件層和第二器件層上設有通孔107，將第一器件層場效應晶體管的漏極102和第二器件層場效應晶體管的漏極112通過通孔107以金屬材料相連接。另外，N型場效應晶體管和P型場效應晶體管共用一個柵電極層106，且共用的柵電極層夾在N型場效應晶體管和P型場效應晶體管的柵絕緣層105、115中間。N型場效應晶體管和P型場效應晶體管的漏極102、112通過通孔107以金屬材料相連接作為互補反相器的輸出端(Vout)，N型場效應晶體管和P型場效應晶體管共用的柵電極106作為互補反相器的輸入端(Vin)，P型場效應晶體管的源極接輸入電源作為VDD，N型場效應晶體管的源極接地作為GND。上述通孔中填有的金屬材料為銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、銫(Cs)、鑰(Mo)、鎢(W)中的一種或多種。根據本發(fā)明進一步改進的實施方式，第二器件層上場效應晶體管占用的面積比第一器件層上場效應晶體管占用的面積小，從而可以在第二器件層布置其他的晶體管以實現集成電路的其他功能。反之，同樣有效。圖2示出了本發(fā)明的另一個實施例，N型場效應晶體管和P型場效應晶體管疊層分布在兩個器件層，N型場效應晶體管形成在P型場效應晶體管的上方或者P型場效應晶體管形成在N型場效應晶體管的上方；第二器件層場效應晶體管的漏極112越過多個器件層向下延伸，與第一器件層上晶體管的漏極102連通并成為一體，成為互補反相器的輸出端(Vout)。N型場效應晶體管和P型場效應晶體管共用的柵電極106作為互補反相器的輸入端(Vin)，P型場效應晶體管的源極接輸入電源作為VDD，N型場效應晶體管的源極接地作為 GND。第二器件層上場效應晶體管占用的面積比第一器件層上場效應晶體管占用的面積小，從而可以在第二器件層布置其他的晶體管以實現集成電路的其他功能。反之，同樣有效。根據本發(fā)明的一個方面，基板101材料可以是硅片、玻璃、塑料或者陶瓷中的任意一種，N型場效應晶體管和P型場效應晶體管的有源層材料可以是一種材料也可以是多種材料的復合或者疊加構成，N型場效應晶體管和P型場效應晶體管的源、漏電極可以是一種材料，也可以是2種或多種材料的疊層或者化合形成，也可以是半導體材料的摻雜構成。N型場效應晶體管有源層所用的材料是氧化鋅(ZnO)、氧化銦(In2O3)、氫化非晶硅(a-Si)、多晶硅、石墨烯、鍺、砷化鎵通過濺射或者化學氣相沉積的方法制備，或者有機材料C6tlX7tl、氟代酞菁銅(F16CuPc)、氟代酞菁鋅(F16ZnPc)、氟代酞菁鐵(F16FePc)、氟代酞菁鈷(F16CoPc)、氯代酞菁銅(CI16CuPc)、氯代酞菁鋅(Cl16ZnPc)、氯代酞菁鐵(Cl16FePc)、氯代酞菁鈷(Cl16C0Pc)、氟代六噻吩(DFH-6T)、氯代六噻吩(DCIH-6T)中的一種或多種。有機材料可通過真空蒸發(fā)或者溶液旋涂的方法制備。P型場效應晶體管有源層所用的材料是有機材料酞菁銅(CuPc)、酞菁鋅(ZnPc)、酞菁鎳(NiPc)、酞菁鈷(CoPc)、自由酞菁(H2Pc)、酞菁鉬(PtPc)、酞菁鉛(PbPc)、氧釩酞菁(VOPc)、氧鈦酞菁(TiOPc)、并五苯(pentacene)、并三苯、并四苯、紅突烯、六聯(lián)苯(p_6P)或者無機材料氧化鋅(ZnO)、多晶硅、石墨烯、鍺、砷化鎵中的一種或多種。有機材料通過真空蒸發(fā)或者溶液旋涂的方法制備，無機材料通過化學氣相沉積或者濺射的方法制備。場效應晶體管柵電極106所用的材料是金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、銫(Cs)、鑰(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、氧化銦錫(ITO)、多晶硅、石墨中的一種或者多種，可通過化學氣相沉積、濺射、蒸鍍或者電鍍的方法制備。N型場效應晶體管和P型場效應晶體管的柵絕緣層105、115材料是無機材料Ta2O5> A1203> SiO2, TiO2, SiNx或者聚合物材料聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯吡咯烷銅(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙基丙烯酸酯(PCA)中的一種或幾種。無機材料可通過化學氣相沉積的方法制備，有機材料通過旋涂的方法制備。上述的場效應晶體管的源、漏電極102、103、112、113所用的材料是金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、銅(Cu)、銫(Cs)、鑰(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、氧化銦錫(ITO)、多晶硅、石墨中的一種或者多種，可通過化學氣相沉積、濺射、蒸鍍或者電鍍的方法制備。本發(fā)明的場效應晶體管互補反相器的一種制備方法如下:選擇薄玻璃作為基板101，并清洗干凈，烘干；采用磁控濺射方法制備50nm厚的鋁(Al)，充當第一器件層場效應晶體管的源、漏電極層，并采用光刻的方法定義并刻蝕出源、漏電極102、103和導線的圖形；采用磁控濺射的方法制備40nm厚的ZnO薄膜作為第一器件層場效應晶體管有源層 104 ；采用PECVD的方法制備200nm厚的SiNx作為第一器件層場效應晶體管柵絕緣層105 ；采用磁控濺射的方法制備50nm厚的Al薄膜作為第一器件層和第二器件層場效應晶體管共用的柵電極層。并通過光刻的方法定義并刻蝕出N型和P型場效應晶體管的柵電極106以及引線的形狀；采用PECVD的方法制備200nm厚的SiNx作為第二器件層場效應晶體管柵絕緣層115 ；采用真空蒸發(fā)的方法制備30nm厚的并五苯薄膜，作為第二器件層場效應晶體管有源層114 ；采用真空蒸發(fā)的方法制備50nm后的銅，作為第二器件層場效應晶體管的源、漏電極層；采用光刻的方法定義出連接上、下兩器件層晶體管漏電極的通孔107的位置和形狀，通孔直徑I微米，通孔深度終止在第一器件層晶體管的漏電極層102，然后將光刻膠剝離掉；采用PECVD的方法沉積填充通孔用的金屬材料鎢，將通孔107填滿；采用光刻的方法定義出上、下兩器件層晶體管區(qū)域的圖形，并逐層刻蝕出上下兩層晶體管的形狀；采用光刻的方法定義并刻蝕出第二器件層晶體管的源、漏電極圖形112、113。以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種場效應晶體管互補反相器,包括: 基板、N型場效應晶體管、與該N型場效應晶體管成對設置的P型場效應晶體管，該N型場效應晶體管和P型場效應晶體管共用一個柵電極并作為該互補反相器的輸入端，該N型場效應晶體管的漏極和P型場效應晶體管的漏極連接作為該互補反相器的輸出端； 其特征在于:該基板上設有多個垂直分布的器件層，該N型場效應晶體管和P型場效應晶體管分別位于不同的器件層，分別為第一器件層和第二器件層。
2.如權利要求1所述的場效應晶體管互補反相器，其特征在于，所述第一器件層上的場效應晶體管和第二器件層上的場效應晶體管占用的基板面積不同。
3.如權利要求1所述的場效應晶體管互補反相器，其特征在于，所述第一器件層和第二器件層上設有至少一個通孔，該通孔中填有金屬材料以連接所述N型場效應晶體管的漏極和P型場效應晶體管的漏極。
4.如權利要求3所述的場效應晶體管互補反相器，其特征在于，通孔中填有的金屬材料為Ag、Al、Cu、Cs、Mo、W中的一種或多種。
5.如權利要求1所述的場效應晶體管互補反相器，其特征在于，所述第二器件層上場效應晶體管的漏極越過所述多個器件層向下延伸，與所述第一器件層上場效應晶體管的漏極連通。
6.如權利要求1至5中任一項所述的場效應晶體管互補反相器，其特征在于，所述柵電極被包夾設置在所述N型場效應晶體管的柵絕緣層和P型場效應晶體管的柵絕緣層的中間。
7.如權利要求1至5中任一項所述的場效應晶體管互補反相器，其特征在于，所述基板材料可以是硅片、玻璃、塑料或者陶瓷中的任意一種。
8.—種制造權利要求1所述的場效應晶體管互補反相器的方法，包括如下步驟: 1)在基板上形成第一器件層場效應晶體管的源電極、漏電極、有源層和柵絕緣層； 2)形成第一器件層場效應晶體管和第二器件層場效應晶體管共用的柵電極； 3)形成第二器件層場效應晶體管的柵絕緣層、有源層、源電極和漏電極； 4)連通該第一、第二器件層場效應晶體管的漏電極。
9.如權利要求8所述的制造場效應晶體管互補反相器的方法，其特征在于，所述的步驟4)中具體包括:采用光刻的方法在該第一器件層和第二器件層上形成通孔，然后剝離光刻膠，最后采用PECVD的方法沉積填充該通孔用的金屬材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種場效應晶體管互補反相器，包括基板、N型場效應晶體管、與該N型場效應晶體管成對設置的P型場效應晶體管，該N型場效應晶體管和P型場效應晶體管共用一個柵電極并作為該互補反相器的輸入端，該N型場效應晶體管的漏極和P型場效應晶體管的漏極連接作為該互補反相器的輸出端；該基板上設有多個垂直分布的器件層，該N型場效應晶體管和P型場效應晶體管分別位于不同的器件層。采用了上述結構的互補反相器進一步降低了互補反相器的占用面積，從而可以提高集成電路的集成度。本發(fā)明還公開了一種制備場效應晶體管互補反相器的方法。
文檔編號H01L21/8238GK103178060SQ20111044084
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權日2011年12月23日
發(fā)明者洪飛, 張其國, 譚莉, 郭曉東, 申劍鋒 申請人:上海中科聯(lián)和顯示技術有限公司