CN109962011A - 一种基于氧化物半导体膜制备方法 - Google Patents

一种基于氧化物半导体膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化物半导体膜制备方法，包括以下步骤：步骤一、在包含有体积分数为85～90％的氮气气体中，在1～1.5Pa的水分压下直流溅射方法将基板输送至溅射靶的正上方，制成50～60nm的氧化物薄膜，所述溅射靶采用以氧化物的形式含有金属氧化物烧结体构成；步骤二、将所述基板在含氮氧化物的环境中以100～200℃/min的升温速率升温至120～400℃，热处理10～80min，制得氧化物半导体膜。提供了一种基于氧化物半导体膜制备方法，能够通过对于制备中各参数的控制制备出高载流子迁移率的氧化物半导体膜。

Description

一种基于氧化物半导体膜制备方法
技术领域
本发明涉及氧化物半导体膜，尤其涉及一种基于氧化物半导体膜制备方法。
背景技术
通常将禁带宽度小于2eV的材料称为半导体。随着禁带宽度不同在室温下其电导率不同。由于热激发(或者光激发，电激发等)满带中的电子进人导带，这样在满带中出现空穴，在导带中出现电子，空穴和电子都是电荷载流子。当存在杂质时，在禁带中出现杂质能级，杂质原子能给出电子的，其能级为施主能级，该半导体为n型半导体。杂质原子能接收电子的，其能级为受主能级，该半导体为P型半导体。对于n型半导体，电子激发进入导带，成为主要载流子；对于p型半导体，空穴激发进入满带，成为主要载流子。温度越高被激发的载流子越多，则薄膜的电阻率越小，半导体薄膜具有负的电阻温度系数。
随着制备半导体薄膜的技术不同，在结构上可分为单晶，多晶和无定形薄膜。同质或异质外延生长的Si、Ga、As半导体薄膜是构成大规模集成电路的极重要材料。多晶半导体薄膜是尺寸大小按某种分布的晶粒构成的。这些晶粒取向是随机分布的。在晶粒内部原子按周期排列，在晶粒边界存在着大量缺陷，这样就形成了多晶半导体膜，具有不同的电学和光学特性。当膜中原子的排列短程有序而长程无序时，称为无定形半导体薄膜，例如射频或微波等离子体化学气相沉积的非晶硅薄膜，它是非晶硅太阳能电池的主要材料。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种基于氧化物半导体膜制备方法，能够通过对于制备中各参数的控制制备出高载流子迁移率的氧化物半导体膜。
本发明提供的技术方案为：一种基于氧化物半导体膜制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在包含有体积分数为85～90％的氮气气体中，在1～1.5Pa的水分压下直流溅射方法将基板输送至溅射靶的正上方，制成50～60nm的氧化物薄膜，所述溅射靶采用以氧化物的形式含有金属氧化物烧结体构成；
步骤二、将所述基板在含氮氧化物的环境中以100～200℃/min的升温速率升温至120～400℃，制得氧化物半导体膜。
优选的是，所述溅射靶包含Zn、Al、W中至少一种掺杂元素。
优选的是，所述掺杂元素占所述溅射靶中所含全部元素的比例为1～10mol％。
优选的是，所述金属氧化物为含有铟和镓的氧化物。
优选的是，所述金属氧化物中镓的原子数为镓和铟的原子数总数的20～40％。
优选的是，所述步骤一种，根据制备条件控制氮气体积分数η满足：
其中，f为第一校正系数，ω为金属氧化物中镓的原子数占镓和铟的原子数总数的比例，P为水分压，h为氧化物薄膜的目标厚度，R为金属氧化物烧结体的电阻率，t为溅射时间。
优选的是，所述金属氧化物烧结体的电阻率为10-1～10-3Ω·cm。
优选的是，在所述步骤二中，控制热处理温度T满足：
其中，χ为第二校正系数，ω′为掺杂元素的比例，V为升温速率。
优选的是，所述基板为玻璃基板或树脂基板。
优选的是，所述含氮氧化物为一氧化二氮。
本发明所述的有益效果：本发明提供了一种基于氧化物半导体膜制备方法，能够通过对制备过程中各参数和条件进行控制来制备氧化物半导体膜，能够在维持高载流子迁移率的状态下保持载流子浓度降低。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供了一种基于氧化物半导体膜制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在包含有体积分数为85～90％的氮气气体中，在1～1.5Pa的水分压下直流溅射方法将基板输送至溅射靶的正上方，制成50～60nm的氧化物薄膜，所述溅射靶采用以氧化物的形式含有金属氧化物烧结体构成；
步骤二、将所述基板在含氮氧化物的环境中以100～200℃/min的升温速率升温至120～400℃，热处理10～80min，制得氧化物半导体膜。
在步骤一中，导入大量的N，来形成迁移率高且载流子浓度低的金属氮氧化物半导体膜。与使用金属氧化物作为原料相比，使用金属自身的情况更易于被氮化。因而，与使用金属氧化物作为溅射靶材相比，使用金属的情况下，能够在膜中导入更多的氮。结果，能够实现高迁移率化。另一方面，在作为原料而使用金属氧化物的情况下，由于金属与氧的键合力强，因此，难以形成金属与氮的键。但是，若作为溅射靶材而使用金属氧化物，则由于氧被从溅射靶材供给，因此，能够发挥高的组成均一性。此外，由于金属氧化物具有金属与氧的键，因此可期待减轻氧缺失、减少残留载流子。因此，在本实施例中，将氧溅射靶材在特定的氮气浓度及压力条件下供于溅射，由此即使使用难以形成金属与氮的键的金属氧化物，也能够在所得半导体膜中导入大量的氮。
所述金属氧化物为含有铟和镓的氧化物。
所述溅射靶包含Zn、Al、W中至少一种掺杂元素，所述掺杂元素的比例为所述溅射靶中所含全部元素的1～10mol％。通过以上述添加量包含掺杂元素，从而能够向所得半导体膜中导入更多的氮。为了向溅射靶材中导入掺杂元素，对在金属氧化物的原料粉中以所期望的比例混合有包含掺杂元素的氧化物、氮化物、金属等而得到的原料粉进行烧结即可。
所述金属氧化物中镓的原子数为镓和铟的原子数总数的20～40％。
考虑溅射成膜时的速度以及成膜时的稳定性，则优选具有低电阻率的金属氧化物烧结体。在本发明中所述金属氧化物烧结体的电阻率为10-1～10-3Ω·cm。
作为基板，在需要透明性、平滑性的情况下，优选为玻璃基板或树脂基板。特别优选为玻璃基板。在需要轻质化的情况下，优选为树脂基板、高分子基板。成膜时间考虑所期望的膜的大小、厚度等适当设定即可。而膜的厚度一般根据氧化物半导体膜的用途来决定。
所述含氮氧化物为一氧化二氮。
所述步骤一种，根据制备条件控制氮气体积分数η满足：
其中，f为第一校正系数，取值为1；ω为金属氧化物中镓的原子数占镓和铟的原子数总数的比例，P为水分压，单位Pa；h为氧化物薄膜的目标厚度，单位nm；R为金属氧化物烧结体的电阻率，单位Ω·cm；t为溅射时间，单位min。
在所述步骤二中，控制热处理温度T满足：
其中，χ为第二校正系数，取值为1.01；ω′为掺杂元素的比例，V为升温速率，单位℃/min。
本发明提供了一种半导体氧化膜的制备方法，主要包括：成膜工序，在体系的水分压在规定压力的环境中，使用以氧化物的形式含有铟和镓的氧化物烧结体构成的靶，通过溅射法在基板表面进行氧化物薄膜的成膜；热处理工序，对在前述基板的表面形成的氧化物薄膜进行热处理。
成膜工序
(1)溅射法
在本发明的制造方法中，作为优选的溅射法，可举出直流溅射法、频率1MHz以下的交流溅射以及脉冲溅射。特别是，这些当中，从工业的观点出发，特别优选直流溅射法。此外，也可以使用RF溅射，但因为是无指向性的，所以随之而来的是难以确定在大型玻璃基板上的均匀成膜的条件，因此没有必要刻意选择。
(2)水分压
在溅射装置室内以水蒸汽的方式导入体系内的水。并且控制体系内的水分压在，环境气体为氮气气体。
(3)其它的气体条件
在本成膜工序中，作为构成基于溅射法的成膜的环境气体的气体种类，优选稀有气体、氧以及水蒸汽，特别地，稀有气体为氩，而对于水蒸汽，更优选在溅射装置室内以水蒸汽方式导入。
热处理工序
热处理工序是指对基板的表面上形成的氧化物薄膜进行热处理的工序。在由基于非平衡工艺的溅射法的成膜所得到的氧化物薄膜中，过剩地导入了缺陷。因为导入了过剩的缺陷，所以产生离子(原子)、晶格的排列等薄膜结构的混乱，其最终结果是载流子浓度的增加、载流子迁移率的下降。通过后续处理，能够使氧化物薄膜中过剩的缺陷减少，并且使混乱的氧化物薄膜的结构恢复，由此能够使载流子浓度以及载流子迁移率稳定化。即通过后续处理，能够制成被控制为适度载流子浓度的高载流子迁移率的氧化物半导体薄膜。
(1)热处理方法
使结构稳定化的方法有热处理、激光处理。具体的热处理法可举出利用了红外线加热的急速热处理法(RTA；Rapid Thermal Annealing：快速热退火)、或利用了灯加热的热处理法(LA；Lamp Annealing：灯退火)等。激光处理可举出基于使用氧化物半导体可吸收波长的准分子激光、YAG激光进行的处理。如果考虑对大型玻璃基板的适用，优选RTA等热处理。
(2)热处理条件
在不结晶化的范围内且基板不变形、不损伤的范围内能适当选择热处理工序中的热处理温度。通过提高升温速度，能够极力限定在目标温度来实施热处理。进而，还具有能提高制造工序中的生产能力的优点。
实施例和对比例
通过以下说明的工艺对半导体氧化膜进行制备，
使用直流电源、6英寸阴极、局部司机质谱仪的负载锁定式磁控溅射装置进行了基于直流溅射的成膜。作为溅射靶，使用了由以氧化物的形式含有铟及镓的氧化物烧结体构成的靶。溅射靶的各金属元素含量参见表1。在实际的成膜中，在10分钟的预溅射后，将基板输送到溅射靶的正上方即静止相对的位置，形成50nm膜厚的氧化物薄膜。以下，示出了详细的成膜条件。
基板温度：200摄氏度。
氮气体积分数：参见表1
水分压：参见表1
溅射时间：10min
热处理条件：
环境：一氧化二氮
热处理温度：参见表1
升温速率：参见表1
表1各实施例和对比例中参数数值和载流子浓度及迁移率
如表所示，实施例1-3为采用本发明中的实验条件，实施例4中的氮气体积分数和热处理温度为采用公式计算而得，对比例为本发明中实验条件以外的实验条件所制备的氧化物半导体膜，由最后的载流子浓度以及载流子迁移率可以明显看出本发明中的实验条件制得的氧化物半导体膜具有低载流子浓度，并同时保持高迁移率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在包含有体积分数为85～90％的氮气气体中，在1～1.5Pa的水分压下直流溅射方法将基板输送至溅射靶的正上方，制成50～60nm的氧化物薄膜，所述溅射靶采用以氧化物的形式含有金属氧化物烧结体构成；
步骤二、将所述基板在含氮氧化物的环境中以100～200℃/min的升温速率升温至120～400℃，制得氧化物半导体膜。
2.根据权利要求1所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，所述溅射靶包含Zn、Al、W中至少一种掺杂元素。
3.根据权利要求2所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，所述掺杂元素占所述溅射靶中所含全部元素的比例为1～10mol％。
4.根据权利要求1所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，
所述金属氧化物为含有铟和镓的氧化物。
5.根据权利要求4所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，
所述金属氧化物中镓的原子数为镓和铟的原子数总数的20～40％。
6.根据权利要求5所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，所述步骤一种，根据制备条件控制氮气体积分数η满足：
其中，f为第一校正系数，ω为金属氧化物中镓的原子数占镓和铟的原子数总数的比例，P为水分压，h为氧化物薄膜的目标厚度，R为金属氧化物烧结体的电阻率，t为溅射时间。
7.根据权利要求6所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，所述金属氧化物烧结体的电阻率为10-1～10-3Ω·cm。
8.根据权利要求7所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，控制热处理温度T满足：
其中，χ为第二校正系数，ω′为掺杂元素的比例，V为升温速率。
9.根据权利要求8所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，所述基板为玻璃基板或树脂基板。
10.根据权利要求9所述的基于氧化物半导体膜制备方法，其特征在于，所述含氮氧化物为一氧化二氮。
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