CN110158031A - 薄膜制备方法、氧化亚锡SnO薄膜及半导体器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种薄膜制备方法、氧化亚锡SnO薄膜及半导体器件，涉及半导体技术领域。该薄膜制备方法包括：通过将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中；对真空室抽真空处理，使得靶材和衬底处于真空环境中；对衬底加热，使得衬底的温度达到第一预设温度；对靶材蒸发并旋转样品台，使得靶材经热解、蒸发后，在衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。通过将衬底温度加热达到第一预设温度，并对靶材进行蒸发，避免了相关技术中，对SnO薄膜制备时，会出现SnO与Sn，或SnO与SnO₂等混合相的生成，导致制备的SnO薄膜不规则导电的问题，可以制备出纯相的SnO薄膜，从而使得制备的SnO薄膜可以规则导电。

Description

薄膜制备方法、氧化亚锡SnO薄膜及半导体器件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种薄膜制备方法、氧化亚锡SnO薄膜及半导体器件。

背景技术

TCO(Transparent Conductive Oxide，透明导电氧化物)薄膜在薄膜晶体管和太阳能电池等领域得到了广泛应用。而氧化亚锡(SnO)作为TCO 的候选材料，对于SnO薄膜的制备也越来越重要。

相关技术中，采用脉冲激光沉积技术，来制备氧化亚锡(SnO)薄膜，利用激光对制备SnO薄膜的原材料进行轰击，然后将轰击的原材料沉淀在衬底上，从而制得沉淀后的SnO薄膜。

但是，相关技术中，对SnO薄膜进行制备时，会出现SnO与Sn，或 SnO与SnO₂等混合相的生成，导致制备的SnO薄膜出现不规则导电的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种薄膜制备方法及装置，以便解决相关技术中，对SnO薄膜进行制备时，会出现SnO 与Sn，或SnO与SnO₂等混合相的生成，导致制备的SnO出现不规则导电的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种薄膜制备方法，所述方法包括：

将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中；

对所述真空室进行抽真空处理，使得所述靶材和所述衬底处于真空环境中；

对所述衬底进行加热，使得所述衬底的温度达到第一预设温度；

对所述靶材进行蒸发，并旋转所述样品台，使得所述靶材经热解、蒸发后，在所述衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。

进一步地，若所述第一预设温度的温度范围为200至500摄氏度，则所述SnO薄膜为P型SnO薄膜。

进一步地，若所述第一预设温度的温度范围为200至400摄氏度，则所述P型SnO薄膜为P型无择优取向SnO薄膜；

若所述第一预设温度为500摄氏度，则所述P型SnO薄膜为P型择优取向SnO薄膜。

进一步地，在所述得到氧化亚锡SnO薄膜之后，所述方法还包括：

将所述SnO薄膜从所述真空室中转移到马弗炉中；

在第二预设温度下对所述马弗炉中的SnO薄膜进行预设时间的退火；

当所述马弗炉内的温度冷却至室温时，得到N型SnO薄膜。

进一步地，若所述第一预设温度为室温、所述第二预设温度的温度范围为300至400摄氏度、且所述预设时间为30分钟，则所述N型SnO薄膜为N型无择优取向SnO薄膜；

若所述第一预设温度为400摄氏度、所述第二预设温度的温度范围为 300至400摄氏度、且所述预设时间为30分钟，则所述N型SnO薄膜为N 型择优取向SnO薄膜。

进一步地，在所述将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中之前，所述方法包括：

通过洗涤剂对原始衬底进行清洗，得到清洗后的衬底；

对所述清洗后的衬底进行风干，得到风干后的衬底；

通过紫外光对所述风干后的衬底进行照射，得到所述衬底。

进一步地，所述对所述靶材进行蒸发，包括：

通过蒸发电源对所述靶材进行蒸发，所述蒸发电源中的灯丝电流为0.5 安培、灯丝电压为105-110伏，束流为5-7毫安。

进一步地，所述衬底由石英玻璃制成，所述靶材由氧化锡SnO₂制成。

第二方面，本发明实施例还提供了一种氧化亚锡SnO薄膜，所述SnO 薄膜为根据第一方面所述的薄膜制备方法所制备得到的。

第三方面，本发明实施例还提供了一种半导体器件，包括根据第一方面所述的方法制备的SnO薄膜，所述SnO薄膜用于形成所述半导体器件的 p-n结或载流子传输层。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供一种薄膜制备方法、氧化亚锡SnO薄膜及半导体器件，通过将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中；对真空室进行抽真空处理，使得靶材和衬底处于真空环境中；对衬底进行加热，使得衬底的温度达到第一预设温度；对靶材进行蒸发，并旋转样品台，使得靶材经热解、蒸发后，在衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。通过将衬底温度加热达到第一预设温度，并对所述靶材进行蒸发，避免了相关技术中，对SnO薄膜进行制备时，会出现SnO与Sn，或SnO与SnO₂等混合相的生成，导致制备的SnO薄膜出现不规则导电的问题，可以制备出纯相的SnO薄膜，从而使得制备的SnO薄膜可以规则导电。进一步地，旋转靶材有利于经过蒸发的靶材均匀的沉积在衬底上，使得制备的薄膜厚度更加均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一薄膜制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一薄膜制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例制备的P型SnO薄膜的X射线衍射扫描测试图谱；

图4本发明实施例制备的P型SnO薄膜的拉曼散射光谱图；

图5为本发明实施例制备的N型无择优取向SnO薄膜的X射线衍射扫描测试图谱；

图6本发明实施例制备的N型无择优取向SnO薄膜的拉曼散射光谱图；

图7为本发明实施例制备的N型择优取向SnO薄膜的X射线衍射扫描测试图谱；

图8本发明实施例制备的N型择优取向SnO薄膜的拉曼散射光谱图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例提供一种薄膜制备装置，该装置包括：靶台、样品台、真空室、挡板、衬底加热器、蒸发电源和马弗炉。

其中，衬底加热器用于对衬底加热，蒸发电源用于蒸发靶材，马弗炉用于对制备的薄膜进行退火处理。

另外，靶材安装在靶台上，衬底安装在样品台上，安装有靶材的靶台和安装有衬底的样品台均置于真空室中，靶台的投影区域与样品台的所在位置重合，挡板位于靶台和样品台之间。

相应的，蒸发电源可以蒸发安装在靶台上的靶材，可以采用衬底加热器对衬底进行加热，靶材热解、蒸发后，衬底上可以形成沉积的薄膜，也即是通过靶台、样品台、真空室、挡板、衬底加热器、蒸发电源等器材，制备得到P型SnO薄膜，而且，可以根据需要选择是否需要将沉积的薄膜转移到马弗炉中，通过马弗炉进行退火处理，也即是通过靶台、样品台、真空室、挡板、衬底加热器、蒸发电源和马弗炉等器材，制备得到N型SnO 薄膜。

图1为本发明实施例提供的一薄膜制备方法的流程示意图；如图1所示，该方法包括：

S101、将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中。

在制备薄膜时，需要在真空的环境中进行制备，因此，需要将靶材与衬底设置在真空室中，以便在后续的步骤中可以制备出不同类型的薄膜。而且，通过靶台安装靶材，通过样品台安装衬底。

S102、对真空室进行抽真空处理，使得靶材和衬底处于真空环境中。

由于需要在真空环境中制备薄膜，因此，在将安装有靶材的靶台与安装有衬底的样品台均置于真空室中之后，需要对真空室进行抽真空处理，从而使得薄膜的制备在真空的环境中进行。

例如，将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中之后，关闭真空室，对真空室进行抽真空处理，使得真空室内的真空度达到4×10^-4Pa(帕斯卡)，当然也可以根据实际需求设置真空室内的真空度。

S103、对衬底进行加热，使得衬底的温度达到第一预设温度。

在对真空室进行抽真空处理之后，为了制备不同类型的薄膜，可以根据实际的需求对衬底进行加热，使得衬底的温度达到第一预设温度，以便制备出相应的薄膜。

在本发明实施例中，可以根据用户需要制备的SnO薄膜的类型，调整第一预设温度，从而可以相应的制备N型SnO薄膜或者P型SnO薄膜，以及不同特征参数的SnO薄膜。

S104、对靶材进行蒸发，并旋转样品台，使得靶材经热解、蒸发后，在衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。

对靶材进行蒸发后，靶材在热解、蒸发后沉积在衬底上，则可以得到在衬底上沉积的薄膜，即氧化亚锡SnO薄膜。

具体地，旋转样品台，旋开挡板，蒸发电源对靶材进行蒸发时，靶材经热解，蒸发在衬底上沉积薄膜，在沉积完成后，可以反序关闭挡板、样品台的旋转、蒸发电源和衬底加热器，当沉积的薄膜自然冷却至室温后，可以打开真空室，从真空室中取出氧化亚锡SnO薄膜。

综上所述，本发明实施例提供一种薄膜制备方法，通过将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中；对真空室进行抽真空处理，使得靶材和衬底处于真空环境中；对衬底进行加热，使得衬底的温度达到第一预设温度；对靶材进行蒸发，并旋转样品台，使得靶材经热解，蒸发后在衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。通过将衬底温度加热达到第一预设温度，并对靶材进行蒸发，避免了相关技术中，对SnO薄膜进行制备时，会出现SnO与Sn，或SnO与SnO₂等混合相的生成，导致制备的SnO薄膜出现不规则导电的问题，可以制备出纯相的SnO薄膜，从而使得制备的SnO薄膜可以规则导电。进一步地，旋转靶材有利于经过蒸发的靶材均匀的沉积在衬底上，使得制备的薄膜厚度更加均匀。

图2为本发明实施例提供的一薄膜制备方法的流程示意图；如图2所示，该方法包括：

S201、根据预设方法对原始衬底进行预处理，得到衬底。

为了避免其他物质对制备的SnO薄膜纯度的影响，需要对原始衬底进行清洗、风干和紫外光照射等处理得到衬底，以便在后续的步骤中，可以根据衬底制备SnO薄膜。

可选的，可以通过洗涤剂对原始衬底进行清洗，得到清洗后的衬底；对清洗后的衬底进行风干，得到风干后的衬底；通过紫外光对风干后的衬底进行照射，得到衬底。

在一种可能的实施方式中，可以通过洗洁精清洗原始衬底10分钟，然后，在依次再经过离子水，丙酮、无水乙醇和异丙醇各超声清洗10分钟。

需要说明的是，可以将衬底转移至通风橱中，使得清洗后的衬底可以在通风橱中自然晾干，当然，衬底也可以在其他通风的器具中晾干，本发明实施例对此不进行具体限制。

另外，可以通过紫外线灯对风干后的衬底进行照射10分钟，以去除残留的有机物，得到表面洁净的衬底。

S202、将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中。

可选的，衬底由石英玻璃制成，靶材由氧化锡SnO₂制成。

S203、对真空室进行抽真空处理，使得靶材和衬底处于真空环境中。

S204、对衬底进行加热，使得衬底的温度达到第一预设温度。

在本发明实施例中，步骤202-204的过程与步骤101-103的过程类似，此处不再一一赘述。

S205、对靶材进行蒸发，并旋转样品台，使得靶材经热解、蒸发后，在衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。

其中，可以通过蒸发电源对靶材进行蒸发，蒸发电源中的灯丝电流可以为0.5安培、灯丝电压可以为105-110伏，束流可以为5-7毫安。

当第一预设温度不同时，可以相应的制备出不同类型的P型SnO薄膜，另外，在特定的第一预设温度下制备的SnO薄膜，在经过步骤206-208的处理之后，可以相应的得到不同类型的N型SnO薄膜。

可选的，若第一预设温度的温度范围为200至400摄氏度，则P型SnO 薄膜为P型无择优取向SnO薄膜；若第一预设温度为500摄氏度，则P型 SnO薄膜为P型择优取向SnO薄膜。

例如，执行上述步骤201至205，当第一预设温度为200摄氏度或者 300摄氏度或者400摄氏度时，均可以制备出型P型无择优取向的SnO薄膜，第一预设温度不同时，制备出的P型无择优取向的SnO薄膜对应的电阻率、迁移率和载流子浓度也各不相同，当第一预设温度为500摄氏度或者时，可以制备出型P型择优取向的SnO薄膜，表1为在不同的第一预设温度下所制备的不同类型的SnO薄膜所对应的参数，如表1所示：

表1

图3为本发明实施例制备的P型SnO薄膜的X射线衍射扫描测试图谱，如图3所示：

图3中横轴表示X射线衍射角的角度，纵轴表示SnO薄膜的相对强度，从图3中可以获知，当衍射角为18.7deg和37.6deg时，在第一预设温度为 400摄氏度时，所制备的P型无择优取向的SnO薄膜的强度，相比于，第一预设温度为200摄氏度或者300摄氏度或者500摄氏度时，所制出的SnO 薄膜的强度高。

图4本发明实施例制备的P型SnO薄膜的拉曼散射光谱图，如图4所示：

图4中横轴表示散射光波数，纵轴表示SnO薄膜的相对强度，从图4 中可以获知，当散射光波数为107.6cm^-1和208.5cm^-1时，在第一预设温度为400摄氏度和300摄氏度时，所制备的P型无择优取向的SnO薄膜的强度，相比于，第一预设温度为200摄氏度或者500摄氏度时，所制出的SnO 薄膜的强度高。

S206、将SnO薄膜从真空室中转移到马弗炉中。

为了制备出N型SnO薄膜，在得到氧化亚锡SnO薄膜之后，需要对氧化亚锡SnO薄膜退火处理，因此，需要将SnO薄膜从真空室中转移到马弗炉中。

S207、在第二预设温度下对马弗炉中的SnO薄膜进行预设时间的退火。

在将SnO薄膜从真空室中转移到马弗炉中之后，需要在二预设温度下对马弗炉中的SnO薄膜进行预设时间的退火，在热能和O₂的作用下，薄膜内的Sn空位转变为O空位，可以得到N型SnO薄膜。

S208、当马弗炉内的温度冷却至室温时，得到N型SnO薄膜。

当第一预设温度或者第二预设温度不同时，可以相应的制备出不同类型的N型SnO薄膜，也即是可以制备出不同性能的N型无择优取向SnO 薄膜和N型择优取向SnO薄膜。

可选的，若第一预设温度为室温、第二预设温度的温度范围为300至400摄氏度、且预设时间为30分钟，则N型SnO薄膜为N型无择优取向 SnO薄膜；

可选的，若第一预设温度为400摄氏度、第二预设温度的温度范围为 300至400摄氏度、且预设时间为30分钟，则N型SnO薄膜为N型择优取向SnO薄膜。

例如，执行上述步骤201至210，当第一预设温度为室温，第二预设温度的温度范围为300摄氏度或者400摄氏度，预设时间为30分钟时，均可以制备出型N型无择优取向的SnO薄膜。当第一预设温度为400摄氏度时，第二预设温度的温度范围为300摄氏度或者400摄氏度，预设时间为30分钟时，也均可以制备出型N型无择优取向的SnO薄膜，表2为在不同的第一预设温度和第二预设温度下所制备的不同类型的SnO薄膜对应的参数，如表2所示：

表2

图5为本发明实施例制备的N型无择优取向SnO薄膜的X射线衍射扫描测试图谱，如图5所示：

图5中横轴表示X射线衍射角的角度，纵轴表示N型无择优取向SnO 薄膜的相对强度，从图5中可以获知，当衍射角为30.3deg和62.9deg时，在第二预设温度为400摄氏度时，所制备的N型无择优取向SnO薄膜的强度，相比于，在第二预设温度为300摄氏度时，所制备的N型无择优取向 SnO薄膜的强度高。

图6本发明实施例制备的N型无择优取向SnO薄膜的拉曼散射光谱图，如图6所示：

图6中横轴表示散射光波数，纵轴表示N型无择优取向SnO薄膜的相对强度，从图6中可以获知，当散射光波数为109.6cm^-1和206.5cm^-1时，在第二预设温度为400摄氏度和300摄氏度时，所制备的N型无择优取向 SnO薄膜的强度较高。

图7为本发明实施例制备的N型择优取向SnO薄膜的X射线衍射扫描测试图谱，如图7所示：

图7中横轴表示X射线衍射角的角度，纵轴表示N型择优取向SnO薄膜的相对强度，从图7中可以获知，当衍射角为18.7deg和37.6deg时，在第二预设温度为400摄氏度或者300摄氏度时，所制备的N型择优取向SnO 薄膜的强度较高。

图8本发明实施例制备的N型择优取向SnO薄膜的拉曼散射光谱图，如图8所示：

图8中横轴表示散射光波数，纵轴表示N型择优取向SnO薄膜的相对强度，从图8中可以获知，当散射光波数为111.2cm^-1和209.7cm^-1时，在第二预设温度为400摄氏度和300摄氏度时，所制备的N型择优取向SnO 薄膜的强度较高。

综上所述，本发明实施例提供一种薄膜制备方法，通过将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中；对真空室进行抽真空处理，使得靶材和衬底处于真空环境中；对衬底进行加热，使得衬底的温度达到第一预设温度；对靶材进行蒸发，并旋转样品台，使得靶材经热解，蒸发后，在衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。通过将衬底温度加热达到第一预设温度，并对靶材进行蒸发，避免了相关技术中，对SnO薄膜进行制备时，会出现SnO与Sn，或SnO与SnO₂等混合相的生成，导致制备的SnO薄膜出现不规则导电的问题，可以制备出纯相的SnO薄膜，从而使得制备的SnO薄膜可以规则导电。进一步地，旋转靶材有利于经过蒸发的靶材均匀的沉积在衬底上，使得制备的薄膜厚度更加均匀。

本发明实施例还提供了一种氧化亚锡SnO薄膜，SnO薄膜为上述的薄膜制备方法所制备得到的。

本发明实施例还提供了一种半导体器件，包括根据上述的方法制备的 SnO薄膜，SnO薄膜用于形成半导体器件的p-n结或载流子传输层。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种薄膜制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中；

对所述真空室进行抽真空处理，使得所述靶材和所述衬底处于真空环境中；

对所述衬底进行加热，使得所述衬底的温度达到第一预设温度；

对所述靶材进行蒸发，并旋转所述样品台，使得所述靶材经热解、蒸发后，在所述衬底上沉积薄膜，得到氧化亚锡SnO薄膜。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述第一预设温度的温度范围为200至500摄氏度，则所述SnO薄膜为P型SnO薄膜。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，若所述第一预设温度的温度范围为200至400摄氏度，则所述P型SnO薄膜为P型无择优取向SnO薄膜；

若所述第一预设温度为500摄氏度，则所述P型SnO薄膜为P型择优取向SnO薄膜。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述得到氧化亚锡SnO薄膜之后，所述方法还包括：

将所述SnO薄膜从所述真空室中转移到马弗炉中；

在第二预设温度下对所述马弗炉中的SnO薄膜进行预设时间的退火；

当所述马弗炉内的温度冷却至室温时，得到N型SnO薄膜。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，若所述第一预设温度为室温、所述第二预设温度的温度范围为300至400摄氏度、且所述预设时间为30分钟，则所述N型SnO薄膜为N型无择优取向SnO薄膜；

若所述第一预设温度为400摄氏度、所述第二预设温度的温度范围为300至400摄氏度、且所述预设时间为30分钟，则所述N型SnO薄膜为N型择优取向SnO薄膜。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将安装在靶台上的靶材与安装在样品台上的衬底设置在真空室中之前，所述方法包括：

通过洗涤剂对原始衬底进行清洗，得到清洗后的衬底；

对所述清洗后的衬底进行风干，得到风干后的衬底；

通过紫外光对所述风干后的衬底进行照射，得到所述衬底。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述靶材进行蒸发，包括：

通过蒸发电源对所述靶材进行蒸发，所述蒸发电源中的灯丝电流为0.5安培、灯丝电压为105-110伏，束流为5-7毫安。

8.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底由石英玻璃制成，所述靶材由氧化锡SnO₂制成。

9.一种氧化亚锡SnO薄膜，其特征在于，所述SnO薄膜为根据权利要求1-8任一项所述的薄膜制备方法所制备得到的。

10.一种半导体器件，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的方法制备的SnO薄膜，所述SnO薄膜用于形成所述半导体器件的P-N结或载流子传输层。