CN107805787B - 一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，公开了一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法。所述方法为：将基板清洗和烘干，然后送入磁控溅射设备真空仓中，进行抽气，使本底真空度达到目标值；设置溅射参数，调控脉冲波形的频率和占空比，在室温下对IGZO靶材进行脉冲直流溅射，得到所述IGZO半导体薄膜。本发明的方法不需要热处理等额外工艺，只需通过调制脉冲波形，在室温下对同一块IGZO靶材进行脉冲直流溅射，具有工艺简单、耗时短、节约能源和适用于工业生产的发展潜力，以及能够实现人为调控半导体薄膜特性以应用于不同领域的技术优势。

Description

一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法。

背景技术

半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能的电子材料(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内)，可用来制作半导体电子器件，普遍应用于显示、传感和集成电路等领域。其中，金属氧化物半导体(metaloxide semiconductor)具有高迁移率、高透明度、高均匀性、工艺简单、可低温制备等优势，在近年来得到广泛的关注和研究，在一些行业中业已投入量产。

铟镓锌氧化物半导体(Indium Gallium Zinc Oxide，简称IGZO)是发展最为成熟的一种金属氧化物半导体，可以实现高迁移率(10～15cm²/Vs)和良好的稳定性，具有巨大的工业前景和发展潜力。目前，制备IGZO方法有磁控溅射法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法和溶胶-凝胶法等，其中磁控溅射法可实现低温或室温制备，适用于大尺寸面板和柔性基材，应用最为广泛。然而，磁控溅射法制备的IGZO薄膜容易发生成分偏析现象，使薄膜中的各元素的比重失调，内部缺陷增多，严重影响IGZO薄膜的半导体特性，降低薄膜载流子浓度和迁移率。

针对这个问题，现已有的解决方法主要有：(1)采用多靶位共溅射IGZO薄膜，即对含有不同元素(In、Ga、Zn)的氧化物靶材进行共溅射，通过对各靶位的溅射参数分别进行控制，以调控所沉积的IGZO薄膜中各元素的比重；(2)采用叠层结构的IGZO薄膜，即对含有不同元素(In、Ga、Zn)的氧化物靶材依次进行溅射，通过对各氧化物层的溅射条件以及厚度进行控制，以调控整体IGZO薄膜中各元素的比重。

上述技术存在一些缺点：(1)工艺复杂，需要调制的参数繁多，操作难度大；(2)工艺效率低，对于叠层结构的薄膜，制备耗时较长；(3)靶材的利用率低，需要使用多块靶材才能实现。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法。该方法能够以室温工艺制备出各元素成分均衡、具有高载流子浓度的半导体薄膜。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，包括如下制备步骤：

(1)将基板清洗和烘干，然后送入磁控溅射设备真空仓中，进行抽气，使本底真空度达到目标值；

(2)设置溅射参数，调控脉冲波形的频率和占空比，在室温下对IGZO靶材进行脉冲直流溅射，得到所述IGZO半导体薄膜。

优选地，所述基板是指玻璃基板；所述清洗是将基板依次放置于不同的清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡10min；所述烘干是将清洗后的基板放置于80℃的烘箱中2h。

优选地，所述本底真空度小于等于2×10^-6Torr。

优选地，所述调控脉冲波形的频率和占空比是将脉冲直流溅射波形的频率设置为1～20kHz，脉冲占空比设置为80～95％；更优选为频率设置为10kHz，脉冲占空比设置为90％。

优选地，所述IGZO靶材为直径2inch、厚3mm的圆形靶材，其中，各元素的设定原子比为In:Ga:Zn:O＝1:1:1:4at％。

优选地，所述脉冲直流溅射的条件为：在总压强为1mTorr、Ar/O₂＝100/5(体积比)的混合气体氛围中，脉冲直流电源功率为120W，溅射时间350s。

本发明的原理为：

(1)在IGZO半导体薄膜中，以In和Ga元素为例，In元素主要作为载流子提供者，而Ga元素则主要作为载流子抑制剂，两者的比例重要地影响着IGZO薄膜的半导电特性。若In的含量过高(即In:Ga比值较大)，则IGZO的半导体特性不稳定，容易高导；若Ga的含量过高(即In:Ga比值较小)，则IGZO的载流子浓度降低，迁移率下降。因此，In:Ga比值需要控制在一定范围中，才能得到半导体特性最佳的IGZO薄膜。In:Ga的理想值一般为1:1。

(2)在脉冲直流溅射过程中，当对同一块靶材进行溅射，即对于靶材中不同元素粒子，入射粒子(Ar⁺离子)能量相同、环境电场相同、环境气氛相同，则影响同一块靶材中不同元素粒子沉积速率的因素主要有：1)带电粒子飞行速率；2)溅射产额；3)Ar⁺离子的散射作用。其中：1)In和Ga作为同族元素，最外层电子结构相同，其分别在In₂O₃和Ga₂O₃中均为正3价，可以认为其带电粒子在同一电场中的飞行速率相近；2)Ar⁺离子轰击靶材溅射粒子的过程本质上是一个动量传递的过程，在入射动量(或能量)相同的情况下，影响靶材粒子溅射产额的一个关键因素则是粒子的质量。In的相对原子质量(114.8)要大于Ga(69.7)，这可能会造成In的溅射产额小于Ga；3)由于In的原子半径要大于Ga

即In被Ar⁺离子散射的几率更大，平均自由程更小，到达基板所需时间比Ga更长。基于上述原因，在溅射过程中，In和Ga的沉积速率存在差异，可能会导致IGZO薄膜成分偏析。

(3)通过脉冲直流溅射，调控溅射波形的频率(周期)和占空比，控制循环中的溅射时长以及循环的次数，能够一定程度上缩小各元素之间沉积速率的差距，得到成分均衡的IGZO薄膜，避免成分偏析。同时，也可以通过改变IGZO薄膜各元素的原子比，调控IGZO薄膜的半导体特性，以应用于特定的领域中。

本发明的方法具有如下优点及有益效果：

本发明的方法不需要热处理等额外工艺，只需通过调制脉冲波形，在室温下对同一块IGZO靶材进行脉冲直流溅射，控制靶材中各元素粒子的溅射过程，实现对IGZO薄膜的成分调控，以得到各元素原子比最接近预设理想值(In:Ga:Zn:O＝1:1:1:4at％)的IGZO薄膜，体现出了工艺简单、耗时短、节约能源和适用于工业生产的发展潜力，以及能够实现人为调控半导体薄膜特性以应用于不同领域的技术优势。

附图说明

图1为本发明实施例中调制脉冲直流溅射波形图。

图2为本发明实施例1中所得的各IGZO薄膜的微波反射光电导衰退测试仪(μ-PCD)的信号峰值(Peak)面扫描测试表征结果图。

图3为为本发明实施例2中所得的各IGZO薄膜的微波反射光电导衰退测试仪(μ-PCD)的信号峰值(Peak)面扫描测试表征结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，具体步骤如下：

(1)清洗和烘干玻璃基板。具体步骤为：将长宽1cm×1cm、厚0.7mm的玻璃基板依次放置于回收异丙醇、回收四氢呋喃、碱性清洗液、去离子水、去离子水、异丙醇等清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡10min，然后将清洗后的玻璃基板放置于80℃的烘箱中2h，烘干待用。

(2)将IGZO圆形靶材装入磁控溅射设备腔室中，IGZO靶材的直径为2inch，厚度为3mm，其中，各元素原子比为In:Ga:Zn:O＝1:1:1:4at％。

(3)将玻璃基板送入磁控溅射设备腔室中，抽真空至本底真空度为小于等于2×10^-6Torr。

(4)设置溅射条件参数，选择溅射模式为脉冲直流溅射模式，脉冲直流电源功率为120W，溅射总压强为1mTorr，溅射气氛为Ar/O₂＝100/5的混合气体，溅射时间为350s。

(5)调制脉冲直流溅射波形，如图1所示，其中，波段1为间歇波段，波段2为溅射初期设备辅助波段，波段2与波段3共同构成溅射波段；电压1为间歇电压，电压2为溅射初期设备辅助电压，电压3为溅射预设电压。电压1、电压2、电压3均由脉冲直流溅射电源预设功率决定。做平行对比试验，四个平行样品，脉冲波形的频率分别设置为1kHz、5kHz、10kHz、20kHz；脉冲波形的占空比均设置为90％。所溅射得到的IGZO薄膜均约为50nm。

本实施例所得的各IGZO薄膜中各元素成分比由X射线光电子能谱(XPS)测试得出，对于脉冲波形的频率为1kHz、5kHz、10kHz、20kHz的样品，其各元素原子比(In:Ga:Zn:O)分别为1:1.36:0.78:4.11at％、1:1.20:0.82:4.46at％、1:1.04:1.02:3.98at％和1:1.11:0.78:3.92at％。

本实施例所得的各IGZO薄膜的相对载流子浓度由微波反射光电导衰退测试仪(μ-PCD)的信号峰值(Peak)面扫描测试表征，Peak的均值越高，代表薄膜相对载流子浓度越高，结果如图2所示。

试验发现，本发明的一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，无需采用任何热处理工艺，或增加靶材的数量和溅射次数，对同一块IGZO靶材进行溅射，可以通过改变脉冲直流溅射波形的频率(周期)，简单有效地调控IGZO薄膜中In:Ga:Zn:O的原子比，使其接近靶材预设值(理想值)，提高相对载流子浓度。

实施例2

本实施例的一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，具体步骤如下：

(1)清洗和烘干玻璃基板。具体步骤为：将长宽1cm×1cm、厚0.7mm的玻璃基板依次放置于回收异丙醇、回收四氢呋喃、碱性清洗液、去离子水、去离子水、异丙醇等清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡10min，然后将清洗后的玻璃基板放置于80℃的烘箱中2h，烘干待用。

(2)将IGZO圆形靶材装入磁控溅射设备腔室中，IGZO靶材的直径为2inch，厚度为3mm，其中，各元素原子比为In:Ga:Zn:O＝1:1:1:4at％。

(3)将玻璃基板送入磁控溅射设备腔室中，抽真空至本底真空度为小于等于2×10^-6Torr。

(4)设置溅射条件参数，选择溅射模式为脉冲直流溅射，脉冲直流电源功率为120W，溅射总压强为1mTorr，溅射气氛为Ar/O₂＝100/5的混合气体，溅射时间为350s。

(5)调制脉冲直流溅射波形，如图1所示，其中，波段1为间歇波段，波段2为溅射初期设备辅助波段，波段2与波段3共同构成溅射波段；电压1为间歇电压，电压2为溅射初期设备辅助电压，电压3为溅射预设电压。电压1、电压2、电压3均由脉冲直流溅射电源预设功率决定。做平行对比试验，四个平行样品，脉冲直流溅射波形的占空比分别设置为80％、85％、90％、95％；脉冲直流溅射波形的频率均设置为10kHz。所溅射得到的IGZO薄膜均约为50nm。

本实施例所得的各IGZO薄膜中各元素成分比由X射线光电子能谱(XPS)测试得出，对于脉冲波形的占空比为80％、85％、90％、95％的样品，其各元素原子比(In:Ga:Zn:O)分别为1:0.93:0.78:4.01at％、1:1.06:0.72:3.83at％、1:1.04:1.02:3.98at％和1:1.41:0.81:3.99at％。

本实施例所得的各IGZO薄膜的相对载流子浓度由微波反射光电导衰退测试仪(μ-PCD)的信号峰值(Peak)面扫描测试表征，Peak的均值越高，代表薄膜相对载流子浓度越高，结果如图3所示。

由以上结果可以看出，通过本发明的一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，无需采用任何热处理工艺，或增加靶材的数量和溅射次数，对同一块IGZO靶材进行溅射，通过改变脉冲直流溅射波形的频率(周期)以及占空比，均能简单有效地调控IGZO薄膜中In:Ga:Zn:O的比例，使其接近靶材预设值(理想值)，提高相对载流子浓度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)将基板清洗和烘干，然后送入磁控溅射设备真空仓中，进行抽气，使本底真空度达到目标值；

(2)设置溅射参数，调控脉冲波形的频率和占空比，在室温下对IGZO靶材进行脉冲直流溅射，得到所述IGZO半导体薄膜；

所述调控脉冲波形的频率和占空比是将脉冲直流溅射波形的频率设置为10kHz，脉冲占空比设置为90％；

所述IGZO靶材为直径2inch、厚3mm的圆形靶材，其中，各元素的设定原子比为In:Ga:Zn:O＝1:1:1:4；

所述脉冲直流溅射的条件为：在总压强为1mTorr、Ar/O₂＝100/5的混合气体氛围中，脉冲直流电源功率为120W，溅射时间350s。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，其特征在于：所述基板是指玻璃基板；所述清洗是将基板依次放置于不同的清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡10min；所述烘干是将清洗后的基板放置于80℃的烘箱中2h。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲直流溅射波形调控半导体薄膜成分的方法，其特征在于：所述本底真空度小于等于2×10^-6Torr。

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