制得的2抑2高1^栅介电层的物理厚度小于20nm，其同时具有的低漏电流、大电容密度满足微电子集成化对于器件尺寸的需求；Zr02薄膜本身具有的高透过率，可见光波段>90%，符合透明电子器件对材料自身的要求；制得的Zr02薄膜为非晶态，可实现薄膜大面积、均一制备；二是Zr02薄膜采用“水性溶胶”工艺制备得到，以硝酸锆盐和去离子水作为反应源，其过程廉价、绿色环保，符合我国可持续发展战略;三是薄膜晶体管中的η型Ιη203和ρ型N1半导体沟道层及Zr02介电层均利用低温溶胶方法制备，制备过程不需要高真空环境，在空气中即可进行，降低生产成本，满足“打印电子器件”的要求；四是Zr02薄膜在低温下制备的，降低了工艺成本，对柔性器件的集成具有重大意义。五是溶液法P型N1 TFT的成功制备，为下一步CMOS的制备奠定器件基础;其制备工艺简单，低成本，操作简便，原理可靠，产品性能好，制备环境友好，应用前景广阔，为大面积制备高性能的薄膜晶体管提供了可行性方案。【附图说明】:
[0018]图1为本发明制备的基于ZrO^^k介电层的全水性Ιη203薄膜晶体管的结构原理示意图。
[0019]图2为本发明制备的基于Zr02高k介电层的全水性N1薄膜晶体管的结构原理示意图。
[0020]图3为本发明制备的水性2抑2高1^介电层的漏电流测试曲线图。
[0021]图4为本发明制备的水性2抑2高1^介电层的电容测试曲线图。
[0022]图5为本发明制备的全水性In203/Zr02薄膜晶体管的输出特性曲线图，其中栅极偏压 Vgs = 0-2Vo
[0023]图6为本发明制备的全水性In203/Zr02薄膜晶体管的转移特性曲线图，其中源漏电压 Vds=1V0
[0024]图7为本发明制备的ρ型Ni0/Zr02薄膜晶体管的转移特性曲线图，其中源漏电压VDS
= 1Vo
【具体实施方式】
:
[0025]下面通过具体实施例并结合附图进一步说明本发明。
[0026]实施例:
[0027]本实施例中的硝酸锆，硝酸镍和硝酸铟粉末均购于Aldrich公司，纯度大于98%;其底栅结构以超薄氧化锆(Zr02)为高k介电层和分别以氧化铟(Ιη203)与氧化镍(N1)薄膜为沟道层的薄膜晶体管的制备过程为:
[0028](1)采用“水性溶胶”方法旋涂制备超薄2抑2高1^介电薄膜:
[0029]步骤1:选用市售的单面抛光低阻硅作为衬底(?0.0015Ω.cm)和栅电极，低阻硅衬底依次用氢氟酸、丙酮和酒精超声波清洗衬底各10分钟，用去离子水反复冲洗后，高纯氮气吹干；
[0030]步骤2:称量去离子水10mL，将硝酸锆按照0.1M溶于水溶液中，混合后在磁力搅拌的作用下室温搅拌4小时形成澄清、无色透明的Zr02前驱体液体；
[0031 ]步骤3:将洁净的低阻硅衬底放入等离子体清洗腔内，待腔室抽取至0.5Pa后通入高纯(99.99%)氧气，控制其功率为30Watt，清洗时间为120s，工作时氧气的通入量为30SCCM；
[0032]步骤4:制备Zr02样品:将步骤2中配制的前驱体溶液旋涂在清洗过的低阻硅衬底上，旋涂次数为2次，旋涂前驱体溶液时匀胶机的参数设置为:先在500转/分匀胶5秒，然后在5000转/分匀胶20秒;旋涂结束后，将样品放到烤胶台上150°C烘焙lOmin，将固化处理后的Zr02样品UV光处理40min，后放入马弗炉中低温退火处理，退火温度为250°C，退火时间1小时，得到Zr02样品；
[0033 ] (2)配制、旋涂Ιη203和N1前驱体溶液、沟道层:
[0034]步骤1:将硝酸铟0.3(^和去离子水1011^混合后在磁力搅拌的作用下室温搅拌5.5小时形成澄清、无色透明的Im03水性溶液，金属阳离子总浓度为0.1M;再将0.lmol的醋酸镍溶于9mL乙醇和lmL乙醇胺中，混合后在磁力搅拌的作用下室温搅拌3h形成澄清、浅绿色透明的N1溶液；
[0035]步骤2:①制备Ιη203沟道层:将步骤1中配制的Ιη203水性溶液旋涂在等离子体处理过的Zr02样品上，旋涂时匀胶机的参数设置为:5000转/分匀胶20秒，旋涂结束后，将样品放到烤胶台上150°C烘焙lOmin，将固化处理后的样品放入马弗炉中低温退火处理，退火温度为250°C，退火时间1小时；
[0036]②制备N1沟道层:将步骤1中配置的N1前驱体溶液旋涂在等离子处理过的Zr02样品上，旋涂时匀胶机的参数设置为:5000转/分匀胶20秒，旋涂结束后，将样品放入150°C烤胶台中烤制lOmin，然后在马弗炉中低温处理，退火温度为250°C，退火时间1小时；
[0037](3)采用真空热蒸发法制备源、漏金属电极:
[0038]通过热蒸发的方式，在Ιη203沟道层上用宽长比为1000/250μπι的不锈钢掩膜版制备100nm厚的金属Α1作为源、漏电极，热蒸发电流为40Α，制备得到Al/In203/Zr02/Si结构的薄膜晶体管;在N1沟道层上同样用宽长比为1000/250μπι的不锈钢掩膜版制备100nm厚的金属Ni作为源、漏电极，热蒸发电流为60A，制备得到Ni/Ni0/Zr02/Si结构的薄膜晶体管；
[0039](4)对制成的Al/In203/Zr02/Si结构(图1)和Ni/Ni0/Zr02/Si结构(图2)的薄膜晶体管进行测试;制得的水性Zr02介电层的漏电流测试及电容测试曲线分别如图3、图4所示；制得的Al/In203/Zr02/Si结构薄膜晶体管输出特性曲线如图5所示；制备的Al/In203/Zr02/Si结构薄膜晶体管对应的转移特性曲线如图6所示；制备的Ni/Ni0/Zr02/Si结构薄膜晶体管转移特性曲线如图7所示，其中图3、图5、图6、图7曲线由吉时利2634B半导体源表测试得至IJ;图4曲线由安捷伦4294A测试得到。
【主权项】
1.一种基于水性超薄zro2高k介电层的薄膜晶体管制备方法，其特征在于具体包括以下工艺步骤: (1)、Zr02前驱体溶液的制备:将Zr(N03)4.5H20溶于去离子水中，在常温下磁力搅拌1-24小时形成澄清透明的浓度为0.01-0.5mol/L的Zr02前驱体溶液； (2)、N1前驱体溶液的制备:将C4H6Ni04.4H20溶于10mL乙醇和乙醇胺的混合溶剂中，在常温下磁力搅拌1-24小时形成澄清透明的浓度为0.01-0.5mol/L的N1前驱体溶液，其中N1前驱体溶液浓度为0.01-0.5mol/L，混合溶剂中乙醇和乙醇胺体积比为1-10:1; (3)、Zr02薄膜样品的制备:采用等离子体清洗方法清洗低阻硅衬底表面，在清洗后的两块低阻硅衬底上采用常规的旋涂技术分别旋涂步骤(1)和(2)配制的Zr02前驱体溶液和N1前驱体溶液，先在400-600转/分下匀胶4-8秒，再在3000-6000转/分下匀胶15-30秒，旋涂次数为1-3次，每次旋涂厚度5-10nm;将旋涂后的薄膜放到烤胶台上在100-200°C条件下进行低温烘焙后固化实验样品;UV光处理40?60min后再将烘焙后的固化实验样品在200-600°C温度下退火1-3小时，实现脱羟基作用及金属氧化物致密化的过程，得到Zr02薄膜样品； (4)、In203沟道层的制备:将In(N03)3溶于去离子中，在室温下搅拌1-24小时形成澄清透明的浓度为0.01-0.5mol/L的Ιη203水性溶液;然后在步骤(3)得到的Zr02薄膜样品表面利用旋涂技术旋涂Ιη203水性溶液，先在400-600转/分下匀胶4_8秒，再在2000-5000转/分下匀胶15-30秒，旋涂次数为1-3次，每次旋涂厚度5-10nm;将旋涂后的薄膜放到120-150°C烤胶台进行固化处理后放入马弗炉中进行200-300°C低温退火处理1-5小时，即制备得到Ιη203沟道层； (5)、N1沟道的制备:在步骤(3)得到的薄膜样品表面利用旋涂技术旋涂N1前驱体溶液，先在400-600转/分下匀胶4-8秒，再在2000-5000转/分下匀胶15-30秒，旋涂次数为1_3次，每次旋涂厚度5-10nm;将旋涂后的薄膜放到120-150°C烤胶台进行固化处理30分钟后放入马弗炉中进行200-300°C低温退火处理1-5小时，即制备得到N1沟道层； (6)、源、漏电极的制备:利用常规的真空热蒸发法利用不锈钢掩膜版分别在Ιη203和N1沟道层上面制备金属源、漏电极，即得到基于水性超薄2抑2高1^介电层的η型Ιη203和p型N1薄膜晶体管。2.根据权利要求1所述基于水性超薄Zr02高k介电层的薄膜晶体管制备方法，其特征在于步骤(1)和(2)中涉及的去离子水电阻率大于18ΜΩ.cm。3.根据权利要求1所述基于水性超薄Zr02高k介电层的薄膜晶体管制备方法，其特征在于步骤(3)中涉及的等离子体清洗法采用氧气或氩气作为清洗气体，其功率为20-60Watt，清洗时间为20-200s，工作气体的通入量为20-50SCCM。4.根据权利要求1所述基于水性超薄Zr02高k介电层的薄膜晶体管制备方法，其特征在于步骤(5)制备的η型Ιη203和p型N1薄膜晶体管的电极沟道长宽比为1:4-20，热蒸发电流为30-50A;制得的源、漏电极为金属Al、Ti或Ni电极，电极厚度为50-200nm。
【专利摘要】本发明属于半导体薄膜晶体管制备技术领域，涉及一种基于水性超薄ZrO2高k介电层的薄膜晶体管制备方法，结合n型氧化铟和p型氧化镍半导体沟道层制备全水性薄膜晶体管，选用低阻硅作为基底和栅电极，分别采用水性溶胶方法、UV光处理和热退火相结合的方式制备超薄ZrO2栅介电层和高透过率、化学稳定性良好的In2O3和NiO半导体沟道层，从而进一步制备高性能、低能耗的TFT器件；其制备工艺简单，低成本，操作简便，原理可靠，产品性能好，制备环境友好，应用前景广阔，为大面积制备高性能的薄膜晶体管提供了可行性方案。
【IPC分类】H01L29/786, H01L29/51, H01L21/34
【公开号】CN105428247
【申请号】CN201610031108
【发明人】单福凯, 刘国侠, 朱春丹, 刘奥, 孟优
【申请人】青岛大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2016年1月18日