CN115954273B

CN115954273B - 一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管及制备方法

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Publication number: CN115954273B
Application number: CN202310231083.4A
Authority: CN
Inventors: 张雪; 郭素敏; 李洪宇; 张宇; 袁一博
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2043-03-13
Also published as: CN115954273A

Abstract

本发明公开了一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管及制备方法，属于半导体材料及器件技术领域，晶体管自下而上依次包括衬底、介电层、有源层和金属电极，有源层中掺杂有碘离子，衬底采用普通玻璃、硅晶片以及导电玻璃中的任意一种，金属电极采用Al、Ag、Au、W、Ta、Pt中的任意一种，有源层为纳米结构的金属氧化物材料。本发明中基于碘的后处理掺杂技术，可以通过控制金属氧化物薄膜及薄膜晶体管在充满碘蒸气中密封装置中的暴露时间可以控制材料的电气性能，并且较现有的在材料组成或薄膜形成过程中所进行的掺杂技术更简单、更易于实现，对新一代薄膜晶体管的研究具有重要意义。

Description

一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管及制备方法

技术领域

本发明属于半导体材料及器件技术领域，具体涉及一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管及制备方法。

背景技术

金属氧化物半导体由于其优异的电荷载流子迁移率、在可见光范围内的高光学透射率、优异的化学稳定性，以及加工中的多功能性，已被用作薄膜晶体管中的有源沟道材料。例如氧化锌、氧化铟、氧化铟锌和氧化铟镓锌已被广泛研究应用。并且基于金属氧化物半导体的薄膜晶体管已被用于电子存储器器件、化学传感器及有源矩阵显示器等各种电子应用中。而为实现其在新一代电子元件产业中的多样化应用，迫切需要开发可以控制物质电气性质的技术。为此，对二元、三元以及四元所组成的材料中关于组成比的影响研究、光分解后处理以及掺杂剂技术等研究备受关注。

掺杂技术既能够控制和调节氧化物半导体材料的电学特性，同时可以克服对材料的依赖性。当前，在非金属离子掺杂金属氧化物半导体的研究中，对碘掺杂的研究最为广泛。并且就基于溶液工艺的金属氧化物半导体的碘掺杂研究中，多使用碘酸作为掺杂剂，在前期与金属氧化物前驱体溶液混合。基于溶液工艺的金属氧化物半导体材料进行完碘掺杂后，通常需要进行高温烧结工艺，由于碘的易升华特性，碘掺杂的金属氧化物薄膜在烧结过程中受温度影响较大，烧结温度越高碘的含量会越低，导致无法对碘的掺杂量精确控制。基于此，本发明提出碘掺杂后处理方法，无需前期与金属氧化物前驱体溶液混合，且不受金属氧化物材料的烧结温度影响，只需通过后期就掺杂时间的把控便可对碘的掺杂量进行精确控制。

发明内容

为了解决现有技术的不足以及区别于目前已广泛研究的在材料组成以及薄膜形成过程中所进行的掺杂方式，本发明提供了一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法。

本发明的技术方案提供一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管，自下而上依次包括衬底、介电层、有源层和金属电极，所述有源层中掺杂有碘离子。

进一步地，所述衬底采用普通玻璃、硅晶片以及导电玻璃中的任意一种，所述金属电极采用Al、Ag、Au、W、Ta、Pt中的任意一种，所述有源层为纳米结构的金属氧化物材料。

进一步地，所述介电层、有源层以及金属电极采用溶液法、真空沉积法或磁控溅射法中的任意一种制备工艺。

本发明的技术方案提供一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，采用如上所述的金属氧化物薄膜晶体管，包括以下步骤：

步骤1；制备含有铟离子的前驱体溶液以及具有氮化硅介电层的P型硅衬底；

步骤2：采用丙酮、异丙醇和去离子水分别对P型硅衬底进行超声清洗处理，采用氮气吹干，最后采用等离子清洗机对氮化硅表面进行二次清洗处理，得到高亲水性、干净的氮化硅表面；

步骤3：采用旋涂方式将氧化铟前驱体溶液涂覆在氮化硅表面，得到金属氧化物有源层，所述金属氧化物有源层为非晶型的微晶结构，均方根粗糙度为0.240~0.248纳米；

步骤4：将旋涂得到的金属氧化物有源层置于大气环境下进行初步低温预烤，然后置于马弗炉中进行高温退火，温度为100℃~400℃，得到金属氧化物薄膜，即氧化铟薄膜，并进行物理性能表征；

步骤5：以真空沉积方式，在经物理性能表征后的金属氧化物薄膜表面沉积铝薄膜，形成金属电极，得到金属氧化物薄膜晶体管；

步骤6：将经过电气性能测定后的金属氧化物薄膜晶体管倒置于充满碘蒸气的密封装置顶部，进行碘掺杂。

进一步地，所述金属电极的厚度为10~200纳米，所述金属氧化物薄膜的厚度为20~100纳米。

进一步地，通过控制金属氧化物薄膜晶体管在充满碘蒸气的密封装置中的时间，控制碘的掺杂量，从而控制晶体管的电气性能。

进一步地，所述碘掺杂的时间为0~10秒。

有益技术效果：

本发明基于碘易升华且物理化学稳定性较好的特殊性质，提出一种在溶液工艺型金属氧化物半导体上以气相方式掺杂碘的方法，突破传统掺杂工艺方式，不仅克服了当前对半导体材料的依赖性，且不受高温烧结的温度限制。只需通过控制金属氧化物薄膜晶体管在碘蒸气中的暴露时间便可控制碘的掺杂量，进而达到可调节材料电气性能的目的，对新一代薄膜晶体管的研究具有重要意义。

附图说明

图1是本发明提供的一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的结构示意图。

其中，100-衬底；101-介电层；102-有源层；103-金属电极。

图2是对比例1中所制备的金属氧化物薄膜的XPS图。

图3是实施例1中所制备的金属氧化物薄膜的XPS图。

图4是实施例2中所制备的金属氧化物薄膜的XPS图。

图5是对比例1中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的输出特性曲线。

图6是实施例1中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的输出特性曲线。

图7是对比例2中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的输出特性曲线。

图8是实施例2中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的输出特性曲线。

图9是对比例1中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。

图10是实施例1中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。

图11是对比例2中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。

图12是实施例2中所制备的金属氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点部分更加明确，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。下面通过参考附图描述的实例属于示例性质，并不能认为是对本发明的限制。需要理解的是，在本发明的描述中，所涉及到如顶、底、上、下、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为进一步说明本发明的技术方案，下面将通过多个具体实施例进行详细说明。

实施例1：

一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管，如图1所示，自下而上依次包括衬底100、介电层101、有源层102和金属电极103，其中介电层101的材质为氮化硅，有源层102中掺杂有碘离子。

上述气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1；制备前驱体溶液以及具有氮化硅介电层的P型硅衬底（SiN_x），将硝酸铟[In(NO₃)₃·xH₂O]溶于2-甲氧基乙醇[2-Methoxyethanol]溶液中，获得0.2M氧化铟前驱体溶液；

步骤2：采用丙酮、异丙醇分别对P型硅衬底进行15分钟和30分钟的超声清洗处理，再用去离子水清洗表面残留的异丙醇，使得氮化硅表面洁净且无有机物质，采用氮气吹干后烘干，去除氮化硅基板表面所残留的水分及具有氧化性或还原性的气体，最后采用等离子清洗机对氮化硅表面进行二次清洗处理，得到高亲水性、干净的氮化硅表面；

步骤3：将干净的衬底置于匀胶机中，采用旋涂方式将氧化铟前驱体溶液以5000转/分，旋涂35秒，涂覆在氮化硅表面，得到金属氧化物有源层，金属氧化物有源层为非晶型的微晶结构，均方根粗糙度为0.240~0.248纳米；

步骤4：将旋涂得到的金属氧化物有源层置于热台进行80℃预烤5分钟，然后置于马弗炉中以300℃退火60分钟，得到金属氧化物薄膜，即氧化铟薄膜，并进行物理性能表征；

步骤5：在经物理性能表征后的金属氧化物薄膜表面沉积铝薄膜形成金属电极，得到金属氧化物薄膜晶体管1，金属电极导电沟道长L=80微米，宽W=2000微米；

步骤6：将经过电气性能测定后的金属氧化物薄膜晶体管倒置于充满碘蒸气的密封装置顶部，进行5秒的掺杂后处理，得到金属氧化物薄膜晶体管2。

对比例1：

对比例1为实施例1中未经过步骤6得到的金属氧化物薄膜晶体管1。

实施例2：

步骤1；制备前驱体溶液以及具有氮化硅介电层的P型硅衬底（SiN_x），将硝酸铟[In(NO₃)₃▪xH₂O]溶于2-甲氧基乙醇[2-Methoxyethanol]溶液中，获得0.2M氧化铟前驱体溶液；

步骤3：将干净的衬底置于匀胶机中，采用旋涂方式将氧化铟前驱体溶液以5000转/分，旋涂35s，涂覆在氮化硅表面，得到金属氧化物有源层，金属氧化物有源层为非晶型的微晶结构，均方根粗糙度为0.240~0.248纳米；

步骤5：在经物理性能表征后的金属氧化物薄膜表面沉积铝薄膜形成金属电极，得到金属氧化物薄膜晶体管3，金属电极导电沟道长L=80微米，宽W=2000微米；

步骤6：将经过电气性能测定后的金属氧化物薄膜晶体管倒置于充满碘蒸气的密封装置顶部，进行10秒的掺杂后处理，得到金属氧化物薄膜晶体管4。

对比例2：

对比例2为实施例2中未经过步骤6得到的金属氧化物薄膜晶体管3。

为更好的说明得到的材料及晶体管的特性，对实施例1和2及对比例1和2的材料和晶体管进行相应的性能测试：

如图2-4所示，用X射线光电子能谱仪(XPS)研究了对比例1及实施例1、2的金属氧化物薄膜的化学结构和组成，对比例2的金属氧化物薄膜的化学结构和组成与对比例1基本相同。根据图中金属氧化物薄膜内部氧元素O1s峰的变化，显示与金属氧化物中氧空位（O_II）和金属氢氧化物（O_III）相关的子峰的相对峰面积减小，表明对金属氧化物薄膜进行碘掺杂的方法可以有效控制金属氧化物材料中氧空位含量，且随着金属氧化物薄膜晶体管在碘蒸气中暴露时间的延长，可使更多的碘离子掺杂到薄膜中，起到降低电子载流子浓度的作用。

图5-6分别为对比例1及实施例1中薄膜晶体管的输出特性曲线，其中如图6所示，门极电压为0V和5V时，实施例1中薄膜晶体管由于漏极电流很小，输出特性曲线大致相同；图7-8分别为对比例1及实施例2中薄膜晶体管的输出特性曲线，其中如图8所示，门极电压为0V和5V时，实施例2中薄膜晶体管由于漏极电流很小，输出特性曲线大致相同；图9-10分别为对比例1及实施例1中薄膜晶体管的转移特性曲线；图11-12分别为对比例1及实施例2中薄膜晶体管的转移特性曲线。结果表明，碘的掺杂可使金属氧化物薄膜晶体管的漏极电流减少，电子迁移率降低，以及栅极电压产生向右偏移；并且随着掺杂时间的延长，金属氧化物薄膜晶体管的电气性能变化越大。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，自下而上依次包括衬底、介电层、有源层和金属电极，所述有源层中掺杂有碘离子；

其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤4：将旋涂得到的金属氧化物有源层置于大气环境下进行初步低温预烤，然后置于马弗炉中进行高温退火，温度为100℃~400℃，得到金属氧化物薄膜，即氧化铟薄膜；

步骤5：以真空沉积方式，在经物理性能表征后的金属氧化物薄膜表面沉积铝薄膜，形成金属电极，从而得到金属氧化物薄膜晶体管；

步骤6：将经过电气性能测定后的金属氧化物薄膜晶体管倒置于充满碘蒸气的密封装置顶部，进行碘掺杂；

通过控制金属氧化物薄膜晶体管在充满碘蒸气的密封装置中的时间，控制碘的掺杂量，从而控制晶体管的电气性能。

2.根据权利要求1所述的一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述衬底采用普通玻璃、硅晶片以及导电玻璃中的任意一种，所述金属电极采用Al、Ag、Au、W、Ta、Pt中的任意一种，所述有源层为纳米结构的金属氧化物材料。

3.根据权利要求1所述的一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述介电层、有源层以及金属电极采用溶液法、真空沉积法或磁控溅射法中的任意一种制备工艺。

4.根据权利要求1所述的一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述金属电极的厚度为10~200纳米，所述金属氧化物薄膜的厚度为20~100纳米。

5.根据权利要求1所述的一种气相碘掺杂的金属氧化物薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述碘掺杂的时间为0~10秒。