一種基于氧化鈧高k介電層薄膜晶體管的制備方法
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明屬于半導體薄膜晶體管制備技術領域，涉及一種基于綠色環(huán)保水性溶膠的薄膜晶體管的制備方法，以水性超薄氧化鈧(Sc2O3)為高k介電層、水性氧化銦鋅(InZnO)為半導體溝道層制備薄膜結構的晶體管。
【背景技術】
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[0002]目前，薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)在有源矩陣驅(qū)動液晶顯示器件(Active Matrix Liquid Crystal Display, AMIXD)中發(fā)揮了重要作用。從低溫非晶硅TFT到高溫多晶硅TFT，技術越來越成熟，應用對象也從只能驅(qū)動IXD(Liquid CrystalDisplay)發(fā)展到既可驅(qū)動 IXD 又可驅(qū)動 OLED(Organic Light Emitting Display)和電子紙。TFT在過去的十多年中已經(jīng)成為平板顯示行業(yè)的核心部件，每臺顯示器都集成了數(shù)百萬甚至上億個TFT器件。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，作為硅基集成電路核心器件的TFT的特征尺寸一直不斷減小，其減小規(guī)律遵循摩爾定律。這種縮減的結果不僅可以增加器件密度，降低單位成本，更重要的是其每次開關操作所消耗的功率也隨之減少(IBM Journal ofResearch and Development, 43 245，1999)。當超大規(guī)模集成電路的特征尺寸小于0.1 μ m時，二氧化硅(S12)介電層的厚度必須小于1.5nm，因此很難控制SiCV薄膜的針孔密度，從而導致較大的漏電流。研宄表明S12厚度由3.5nm減至1.5nm時柵極漏電流由10 _12A/cm2增大到 10A/cm2 (IEEE Electron Device Letters, 18 209，1997)。較大的漏電流會引起高功耗及相應的散熱問題，這對于器件集成度、可靠性和壽命都造成不利的影響。目前，在集成電路工藝中廣泛采用高介電常數(shù)(高k)柵介電來增大電容密度和減少柵極漏電流，高k材料因其大的介電常數(shù)，在與S12具有相同等效柵氧化層厚度(EOT)的情況下，其實際厚度比S12大的多，從而解決了 S1 2因接近物理厚度極限而產(chǎn)生的量子遂穿效應(Journalof Applied Physics, 89 5243, 2001) o因此制備新型、高性能高k材料替代5102成為實現(xiàn)大規(guī)模集成電路的首要任務。
[0003]由于TFT器件是薄膜型結構，其柵介電層的介電常數(shù)、致密性和厚度對晶體管的電學性能有重要的影響。目前成為研宄熱點的高k介電材料包括ATO (AdvancedMaterials, 24 2945，2012)、Al2O3 (Nature, 489 128，2012)、ZrO2 (Advanced Materials,23971, 2011), HfO2Qournal of Materials Chemistry, 22 17415, 2012)和 Y2O3(AppliedPhysics Letters, 98 123503，2011)等。通過查閱相關專利、文獻，目前還未發(fā)現(xiàn)有基于氧化鈧(Sc2O3)高k介電層的TFT器件的相關報道。Sc2O3具有較大的介電常數(shù)(14-16)、較寬的帶隙(6.0-6.3eV)、較大的導帶補償，對電子較高的通道勢皇高度(大于2eV)。因此，Sc2O3有望取代傳統(tǒng)S12柵介電材料，成為新一代TFT高k柵介電材料的有力候選者。迄今為止，Sc2O3薄膜的制備均采用基于高真空制備環(huán)境的技術，例如原子束外延、化學氣相沉積、電子束蒸發(fā)、高壓濺射。這類高真空制備方法需要依托昂貴的設備且難以實現(xiàn)大面積成膜，制約了低成本電子器件的生產(chǎn)?？紤]到將來電子器件發(fā)展的新方向一印刷電子器件，利用化學溶液技術制備薄膜將是一個更好的選擇，化學溶液技術在超細粉末、薄膜涂層、纖維等材料的制備工藝中受到廣泛應用，它具有其獨特的優(yōu)點:其反應中各組分的混合在分子間進行，因而產(chǎn)物的粒徑小、均勻性高；反應過程易于控制，可得到一些用其他方法難以得到的產(chǎn)物，另外反應在低溫下進行，避免了高溫雜相的出現(xiàn)，使得產(chǎn)物的純度高。
[0004]目前采用化學溶液技術制備薄膜時多采用有機系溶液作為前驅(qū)體，該方法不僅增加實驗成本，其廢液破壞自然環(huán)境，不利于可持續(xù)、綠色發(fā)展的宗旨。在前期工作我們提出一種利用“水性溶膠”方法制備超薄高k介電薄膜的新思路，并成功制備高性能的氧化釔高k 介電薄膜(Advanced Funct1nal Materials, 25 2564, 2015) ο 在“水性溶膠”前驅(qū)體溶液中，只有金屬硝酸鹽和去離子水作為反應源。采用去離子水替代傳統(tǒng)的有機溶液(乙二醇甲醚等)作為溶劑，因此“水性溶膠”技術相比于常規(guī)有機溶膠方法具有無毒、環(huán)保、廉價等優(yōu)點；此外由于水性溶液中金屬陽離子與水分子間為靜電結合，相比于有機溶液中共價鍵結合方式具有更弱的結合能，因此采用水性溶液方法旋涂的薄膜具有更低的分解溫度，利用水性溶液技術制備可靠性高、重復性好、低溫分解的半導體薄膜正成為工業(yè)界和科研界正在深入研宄的技術領域。
[0005]目前，采用氧化銦(In2O3)、氧化物銦鋅氧(IZO)和銦鎵鋅氧(IGZO)材料作為薄膜晶體管溝道層的制備和應用技術已有公開文獻，美、日、韓等國做了大量研宄。IZO憑借其高迀移率、非晶態(tài)、高透過率(可見光>80% )成為半導體溝道層材料的有力候選者。我們通過相關專利、文獻的查閱，利用“水性溶膠”方法制備TFT溝道層鮮有報道，基于水性Sc2O3高k介電層的全水性TFT器件更是無人涉足。上述工藝制備的IZ0/Sc203結構的TFT器件不僅具有較高的載流子迀移率，而且具有極低的操作電壓，其作為AMLCD的像素開關，將大大提高有源矩陣的開口率，提高亮度，同時降低功耗；另外其全溶液制備工藝不依賴昂貴的真空鍍膜設備，使得制作成本進一步降低，這些優(yōu)點使其在未來的低能耗電子顯示領域有很廣闊的潛在市場。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點，尋求設計和提供一種基于高k氧化鈧(Sc2O3)介電層薄膜晶體管的制備方法，結合水性氧化銦鋅(IZO)半導體溝道層制備全水性薄膜晶體管(TFT)，選用低阻硅作為基底和柵電極，分別采用水性溶膠方法和熱退火相結合的方式制備超薄Sc2O3(<20nm)柵介電層和高透過率、高迀移率的IZO半導體溝道層，進一步制備高性能、低能耗的TFT器件。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體工藝包括以下步驟:
[0008](I)、Sc2O3前驅(qū)體溶液的制備:先將硝酸鈧Sc (NO 3) 3.H2O溶于去離子水中，在20-90°C下磁力攪拌1-24小時形成澄清透明的Sc2O3前驅(qū)體溶液，其中Sc 203前驅(qū)體溶液的濃度為 0.01-0.5mol/L ；
[0009](2)、Sc2O3薄膜樣品的制備:采用等離子體清洗方法清洗低阻硅襯底表面，在清洗后的低阻硅襯底上采用常規(guī)的旋涂技術旋涂步驟(I)配制的Sc2O3前驅(qū)體溶液，先在400-600轉(zhuǎn)/分下勻膠4-8秒，再在3000-6000轉(zhuǎn)/分下勻膠15-30秒，旋涂次數(shù)為1_3次，每次旋涂厚度5-10nm ;將旋涂后的薄膜放到烤膠臺上控溫100-200°C進行烘焙，得固化薄膜樣品；再將烘焙后的固化薄膜樣品在控制溫度為200-600°C條件下退火1-3小時，實現(xiàn)脫羥基作用及金屬氧化物致密化，得到Sc2O3薄膜樣品；
[0010](3)、IZO溝道層的制備:將硝酸鋅Zn (NO3)2和硝酸銦In (NO 3) 3分別溶于去離子中，在室溫下攪拌1-24小時形成澄清透明的濃度為0.01-0.5mol/L的IZO水性溶液，其中水性溶液中In3+:Zn2+為1-9:1 ;然后在步驟(2)得到的Sc 203薄膜樣品表面利用旋涂技術旋涂IZO水性溶液，先在400-600轉(zhuǎn)/分下勻膠4-8秒，再在2000-5000轉(zhuǎn)/分下勻膠15-30秒，旋涂次數(shù)為1-3次，每次旋涂厚度5-10nm ;將旋涂后的薄膜樣品放到120_150°C烤膠臺進行固化處理后再放入馬弗爐中進行200-300°C低溫退火處理1-5小時，即制備得到IZO溝道層；
[0011](4)、源、漏電極的制備:利用常規(guī)的真空熱蒸發(fā)法利用不銹鋼掩膜版在IZO溝道層上面制備金屬源、漏電極，即得到基于超薄Sc2O3高k介電層的全水性IZO薄膜晶體管；所制備的薄膜晶體管的電極溝道長寬比為1:4-20，熱蒸發(fā)電流為30-50A;制得的源、漏電極為金屬Al、Ti或Ni電極，電極厚度為50-200nm。
[0012]本發(fā)明的步驟⑴中涉及的去離子水的電阻率>18ΜΩ.αιι;步驟⑵中涉及的等離子體清洗法采用氧氣或氬氣作為清洗氣體，其功率為2