[发明专利]磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供了一种磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法，通过磷(P)掺杂利用水溶液法合成了具有优异介电性能的Ga₂O₃介电层。适当的P掺入可充当网络连接并减少Ga₂O₃中的氧相关缺陷(氧空位和羟基)，从而改善Ga₂O₃介电层的介电特性。使用具有最佳掺杂浓度的Ga‑P‑O电介质，使得氧化物薄膜晶体管表现出更高的性能，包括高的迁移率，高的电流开/关比，低工作电压和可忽略不计的滞后性，并且具有出色的偏置应力稳定性。不仅如此，Ga₂O₃介电层利用水溶液法合成，简单快速，十分方便，适合大规模生产，并为下一代低成本先进Ga₂O₃器件提供了一条新途径。

技术领域

本发明涉及功率半导体技术以及半导体制造领域，尤其涉及一种磷掺杂的氧化镓介电层、薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种超宽带隙半导体被广泛用于新兴的光电子领域，由于其独特的材料特性和基底可用性，是下一代高功率电子和太阳盲紫外线光电探测器的备选材料。虽然Ga₂O₃作为超宽带隙半导体被研究得最多，但最近的研究发现，Ga₂O₃由于其高热稳定性、优异的防潮性和易于溶液法加工的特性而成为一种高端晶体管制备的有前途的高κ介电材料，因为它具有8MV/cm的大击穿电场，大约10的介电常数，以及良好的热/化学稳定性，特别是具有高的耐吸湿性。

值得注意的是，由于目前标准的微电子制造中包含了湿法工艺，所以抗吸湿性是高κ氧化物的一个主要关注点。一些高κ的氧化物，如La基氧化物，显示出相对较高的介电常数和较大的带隙，然而，它们的高吸湿性严重损害了电性能，阻碍了实际应用。以前的研究表明，在大多数高κ氧化物中可能会出现吸湿现象。本领域中，材料的吉布斯自由能变化(ΔG)被用来描述高κ氧化物的吸湿性，ΔG为正值的高κ氧化物能显著抑制吸湿。根据以前的理论计算，在高κ氧化物材料中，只有Sc₂O₃(ΔG＝38.2KJ mol^-1)、Ga₂O₃(ΔG＝23.1KJ mol^-1)和HfO₂(ΔG＝20.5KJ mol^-1)具有正的ΔG，表明其具有较强的抗吸湿性。事实上，Ga₂O₃已被广泛用作微电子领域的钝化材料。尽管暴露在水分和空气中是不可避免的，但Ga₂O₃的正ΔG也表明其可以进行溶液法处理。本发明前期工作确实表明，高质量的Ga₂O₃电介质薄膜可以通过简单的水溶液路线制成，从而实现潜在的低成本和大规模应用。

然而，溶液法处理的Ga₂O₃的介电性能，特别是泄漏电流和击穿强度需要进一步提高，而掺杂是提高Ga₂O₃介电性能的一种简单有效的方法，不过其相关进展相当缓慢。Oleksak等人表明，W掺杂可以改善Ga₂O₃的介电特性(漏电流和击穿强度)，但薄膜晶体管(TFT)的器件性能尚未得到证实。He et al等人证明，掺杂Al可以增强Ga₂O₃的泄漏电流，然而，所得的TFT显示出相对较差的开/关电流比(～10⁴)。目前尚未有有效的元素掺杂，可以改善溶液法处理的Ga₂O₃的介电性能，同时使得其应用于薄膜晶体管(TFT)时也表现出更高的性能。

因此，现有技术还有待改进。

发明内容