一種基于超薄氧化鋰高k介電層薄膜晶體管的制備方法
【技術領域】
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[0001]本發明屬于半導體薄膜晶體管制備技術領域，涉及一種基于超薄氧化鋰高k介電層薄膜晶體管的制備方法，特別是一種以超薄氧化鋰(Li2O)為高介電常數(k)介電層，以氧化銦(In2O3)為半導體溝道層的薄膜晶體管的制備方法。
【背景技術】
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[0002]近年來，薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)在有源矩陣驅動液晶顯示器件(Active Matrix Liquid Crystal Display,AMIXD)中發揮了重要作用。薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)是多數液晶顯示器的一種，它使用薄膜晶體管技術改善影象品質，雖然TFT-1XD被統稱為IXD，不過它是種主動式矩陣IXD，被應用在電視、平面顯示器及投影機上。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動LCD(LiquidCrystal Display)發展到既可以驅動LCD又可以驅動0LED(0rganic Light EmittingDisplay)、甚至電子紙。TFT在過去的十多年中已經成為平板顯示行業的核心部件，每臺顯示器都集成了數百萬甚至上億個TFT器件，隨著大規模集成電路的發展，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 of Research and Development ,43245，1999)。當超大規模集成電路的特征尺寸小于0.Ιμπι時，二氧化娃(Si02)介電層的厚度必須小于1.5nm，因此很難控制Si02薄膜的針孔密度，從而導致較大的漏電流。研究表明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，18209，1997)，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(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，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 S12因接近物理厚度極限而產生的量子遂穿效應(Journal of Applied Physics，895243，2001)。因此制備新型、高性能高k材料替代SiC>2成為實現大規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、致密性和厚度對晶體管的電學性能有重要的影響O目前成為研究熱點的高k介電材料包括AT0(Advanced Materials ,242945，2012)、Al203(Nature，489128，2012)、HfO2( Journal of Materials Chemistry,2217415,2012)和Y2O3Upplied Physics Letters,98123503,2011)等。現有技術中制備多種介電材料(Al2O3、Hf O2、Y2O3、Sc2O3、ZrO2等)及其TFT器件，但未發現有溶膠凝膠Li2O薄膜和基于Li2O高k介電層的TFT器件的相關報告和公開使用。Li2O具有較大的介電常數(6-9)和較大的禁帶寬度(6-7)，因此Li2O有望成為下一代TFT高k柵介電材料的有力候選者。迄今為止，薄膜大多采用的制備大多采用真空制備技術，例如分子束外延、化學氣相沉積、電子束蒸發、磁控濺射等，這類高真空技術需要依托昂貴的設備且難以實現大面積成膜，制約了低成本電子器件的生產，考慮到將來電子器件發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，它具有其獨特的優點:其反應中各組分的混合在分子間進行，因而產物的粒徑小、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物。
[0004]目前，采用氧化銦(In2O3)、氧化物銦鋅氧(InZnO)和銦鎵鋅氧(InGaZnO)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、韓等國做了大量研究。In2O3憑借其高迀移率、非晶態、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，發現沒有溶膠凝膠Li2O薄膜的相關報道，基于Li2O高k介電層的TFT器件無人涉足。經測試，利用上述材料工藝制備的In203/Li20 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。
【發明內容】
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[0005]本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計和提供一種基于超薄氧化鋰高k介電層薄膜晶體管的制備方法，選用低阻硅作為基底和柵電極，采用熱退火的方式制備超薄Li20(?1nm)柵介電層和高透過率、化學穩定性良好的Ιη2θ3半導體溝道層，進一步制備高性能、低能耗的TFT器件。
[0006]為了實現上述目的，本發明具體包括以下工藝步驟:
[0007](I)、Li20前驅體溶液的制備:將硝酸鋰(LiNO3)溶于乙二醇甲醚中，在常溫下磁力攪拌1-24小時形成澄清透明濃度為0.01-0.5mol/L的Li2O前驅體溶液；
[0008](2)、Li2O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的旋涂技術旋涂步驟(I)配制的Li2O前驅體溶液，先在400-600轉/分下勻膠4-8秒，再在3000-6000轉/分下勻膠15-30秒，旋涂次數為1-3次，每次旋涂厚度為5-10nm;將旋涂后的低阻硅襯底放到烤膠臺上在100-200°C下進行烘焙得到固化后的實驗樣品；然后將固化后的實驗樣品在200-600°C溫度下退火1-3小時，實現脫羥基作用和金屬氧化物致密化的過程，得到Li2O薄膜樣品；
[0009](3)、In2O3溝道層的制備:將硝酸銦In(NO3)3溶于去離子水中，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In2O3水溶液;然后在步驟(2)得到的Li2O薄膜樣品表面利用旋涂技術旋涂In2O3水溶液得到旋涂后的薄膜樣品，先在400-600轉/分下勻膠4-8秒，再在2000-5000轉/分下勻膠15-30秒，旋涂次數為1-3次，每次旋涂厚度為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放入馬弗爐中進行200-300°C低溫退火處理1-5小時，制備得到In2O3溝道層；
[0010](4)、源、漏電極的制備:利用常規的真空熱蒸發法采用不銹鋼掩膜版在In2O3溝道層上面制備金屬源、漏電極，得到基于超薄Li2O高k介電層的In2O3薄膜晶體管。
[0011]本發明的步驟(I)中涉及的去離子水電阻率>18ΜΩ.Cm。
[0012]本發明的步驟(2)中涉及的等離子體清洗法采用氧氣或氬氣作為清洗氣體，工作功率為20-60Watt，清洗時間為20-200s，工作氣體的通入量為20-50SCCM。
[0013]本發明步驟(4)制備的基于超薄Li2O高k介電層的In2O3薄膜晶體管的電極溝道長寬比為1:4-20，熱蒸發電流為30-5(^;制得的源、漏電極為金屬八1，11或附電極，電極厚度為50-200nm。
[0014]本發明與現有技術相比，具有以下優點:一是制得的Li2O高k柵介電層的物理厚度小于20nm，其同時具有的低漏電流、大電容密度滿足微電子集成化對于器件尺寸的需