[发明专利]一种基于氧化钪高k介电层薄膜晶体管的制备方法

说明书

技术领域:

本发明属于半导体薄膜晶体管制备技术领域，涉及一种基于绿色环保水性溶胶的薄膜晶体管的制备方法，以水性超薄氧化钪(Sc₂O₃)为高k介电层、水性氧化铟锌(InZnO)为半导体沟道层制备薄膜结构的晶体管。

背景技术：

目前，薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)在有源矩阵驱动液晶显示器件(Active Matrix Liquid Crystal Display,AMLCD)中发挥了重要作用。从低温非晶硅TFT到高温多晶硅TFT，技术越来越成熟，应用对象也从只能驱动LCD(Liquid Crystal Display)发展到既可驱动LCD又可驱动OLED(Organic Light Emitting Display)和电子纸。TFT在过去的十多年中已经成为平板显示行业的核心部件，每台显示器都集成了数百万甚至上亿个TFT器件。随着大规模集成电路的发展，作为硅基集成电路核心器件的TFT的特征尺寸一直不断减小，其减小规律遵循摩尔定律。这种缩减的结果不仅可以增加器件密度，降低单位成本，更重要的是其每次开关操作所消耗的功率也随之减少(IBM Journal of Research and Development，43 245，1999)。当超大规模集成电路的特征尺寸小于0.1μm时，二氧化硅(SiO₂)介电层的厚度必须小于1.5nm，因此很难控制SiO₂薄膜的针孔密度，从而导致较大的漏电流。研究表明SiO₂厚度由3.5nm减至1.5nm时栅极漏电流由10^-12A/cm²增大到10A/cm²(IEEE Electron Device Letters,18 209，1997)。较大的漏电流会引起高功耗及相应的散热问题，这对于器件集成度、可靠性和寿命都造成不利的影响。目前，在集成电路工艺中广泛采用高介电常数(高k)栅介电来增大电容密度和减少栅极漏电流，高k材料因其大的介电常数，在与SiO₂具有相同等效栅氧化层厚度(EOT)的情况下，其实际厚度比SiO₂大的多，从而解决了SiO₂因接近物理厚度极限而产生的量子遂穿效应(Journal of Applied Physics,89 5243，2001)。因此制备新型、高性能高k材料替代SiO₂成为实现大规模集成电路的首要任务。

由于TFT器件是薄膜型结构，其栅介电层的介电常数、致密性和厚度对晶体管的电学性能有重要的影响。目前成为研究热点的高k介电材料包括ATO(Advanced Materials,24 2945,2012)、Al₂O₃(Nature,489 128,2012)、ZrO₂(Advanced Materials,23 971,2011)、HfO₂(Journal of Materials Chemistry,22 17415,2012)和Y₂O₃(Applied Physics Letters,98 123503,2011)等。通过查阅相关专利、文献，目前还未发现有基于氧化钪(Sc₂O₃)高k介电层的TFT器件的相关报道。Sc₂O₃具有较大的介电常数(14-16)、较宽的带隙(6.0-6.3eV)、较大的导带补偿，对电子较高的通道势垒高度(大于2eV)。因此，Sc₂O₃有望取代传统SiO₂栅介电材料，成为新一代TFT高k栅介电材料的有力候选者。迄今为止，Sc₂O₃薄膜的制备均采用基于高真空制备环境的技术，例如原子束外延、化学气相沉积、电子束蒸发、高压溅射。这类高真空制备方法需要依托昂贵的设备且难以实现大面积成膜，制约了低成本电子器件的生产。考虑到将来电子器件发展的新方向—印刷电子器件，利用化学溶液技术制备薄膜将是一个更好的选择，化学溶液技术在超细粉末、薄膜涂层、纤维等材料的制备工艺中受到广泛应用，它具有其独特的优点：其反应中各组分的混合在分子间进行，因而产物的粒径小、均匀性高；反应过程易于控制，可得到一些用其他方法难以得到的产物，另外反应在低温下进行，避免了高温杂相的出现，使得产物的纯度高。