CN113314642B - 一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，包括：步骤一、对衬底进行预处理后，通过光刻剥离技术在衬底上曝光显影出栅极区域，并在栅极区域蒸镀导电膜，得到第一基底；步骤二、在第一基底上通过光刻剥离技术显影出第一堆叠区域，在第一堆叠区域沉积Ta2O5薄膜，得到第二基底；其中，第一堆叠区域栅极区域部分重叠；步骤三、在第二基底的Ta2O5薄膜上沉积MgO薄膜，得到第三基底；步骤四、在第三基底的MgO薄膜上沉积Mg0.5Zn0.5O薄膜，得到第四基底；步骤五、在第四基底上通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域，在第二堆叠层区域沉积叉指电极层，得到晶体管；其中，第二堆叠区域位于Mg0.5Zn0.5O薄膜上方，并且第二堆叠区域的边缘与Mg0.5Zn0.5O薄膜的边缘完全重合。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，特别涉及一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法。
背景技术
太阳辐射出来的紫外线波长范围在10-400nm之间。由于地球上位于平流层的氧气和臭氧分子对紫外光的吸收和散射作用非常强，200-280nm波长的太阳光几乎到达不了地球的表面，因此，我们称这一波段为日盲区或日盲波段。由于地表不存在太阳辐射中日盲区紫外光这一特点，日盲紫外探测在生活和军事领域有着很广泛的应用，可用于大气中臭氧层的监控、紫外通信、紫外告警和紫外制导等。
发明内容
本发明的目的是提供一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其采用Ta2O5和MgO两种不同的高K介电层材料来制备双层绝缘层，MgO薄膜能够改善Ta2O5薄膜的表面形貌、缺陷态密度，减小泄漏电流；并且MgO薄膜更好地匹配了Mg0.5Zn0.5O沟道晶格，减小了漏电流密度；从而提高器件的光电性能。
本发明提供的技术方案为：
一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、对衬底进行预处理后，通过光刻剥离技术在所述衬底上曝光显影出栅极区域，并在所述栅极区域蒸镀导电膜，得到第一基底；
步骤二、在所述第一基底上通过光刻剥离技术显影出第一堆叠区域，在所述第一堆叠区域沉积Ta2O5薄膜，得到第二基底；
其中，所述第一堆叠区域所述栅极区域部分重叠；
步骤三、在所述第二基底的Ta2O5薄膜上沉积MgO薄膜，得到第三基底；
步骤四、在所述第三基底的MgO薄膜上沉积Mg0.5Zn0.5O薄膜，得到第四基底；
步骤五、在所述第四基底上通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域，在所述第二堆叠层区域沉积叉指电极层，得到所述晶体管；
其中，所述第二堆叠区域位于Mg0.5Zn0.5O薄膜上方，并且所述的第二堆叠区域的边缘与所述Mg0.5Zn0.5O薄膜的边缘完全重合。
优选的是，在所述步骤一中，在所述栅极区域用电子束蒸发方法镀铝，得到所述第一基底。
优选的是，在所述步骤二中，在所述第一基底上曝光显影出第一堆叠区域，包括如下步骤：
步骤1、在所述第一基底上旋涂光刻胶；
步骤2、将涂好光刻胶的衬底在90～92℃下前烘3分钟；
步骤3、在前烘后的第一基底上覆盖具有第一堆叠区域图案的光刻板，并曝光；
其中，所述第一基底上对应所述光刻板上的图案区域为曝光区域；
步骤4、将曝光后的第一基底置于显影液中，所述曝光区域对应的光刻胶溶于显影液，露出所述第一基底；得到所述第一堆叠区域。
优选的是，在所述步骤二中，利用Ta2O5靶材在所述第一堆叠区域上室温磁控溅射沉积Ta2O5薄膜；
其中，所述Ta2O5薄膜的厚度为80nm。
优选的是，在所述步骤二中，溅射压力为5mTorr，氧分压为5％。
优选的是，在所述步骤三中，以液态双镁作为Mg的前驱体，以去离子水和氧气等离子体为共反应物，在室温条件下沉积MgO薄膜；
其中，所述MgO薄膜的厚度为10nm。
优选的是，在所述步骤四中，利用Mg0.5Zn0.5O靶材沉积Mg0.5Zn0.5O薄膜；
其中，Mg0.5Zn0.5O薄膜的厚度为50nm。
优选的是，在所述步骤四中，氧分压为30％～50％。
优选的是，在所述步骤五中，在所述第二堆叠层区域沉积金属铝得到叉指电极层。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，采用双绝缘层和叉指电极结构，通过Ta2O5和MgO两种不同的高K介电层材料来制备双层绝缘层，综合了这两种材料的优点，即Ta2O5具有较高的介电常数和较为适合日盲探测的带隙宽度(4.5eV)，当光子能量大于4.5eV时，Ta2O5产生的光生载流子被源漏电极收集，所以采用Ta2O5做为绝缘层可以有效提高器件产生的光电流，从而提高器件了的光电性能；而在Ta2O5薄膜上方增加一层MgO薄膜可以有效的改善Ta2O5薄膜的表面态形貌，减少泄漏电流，同时由于MgO薄膜与Mg0.5Zn0.5O沟道层之间具有良好的界面态；因此，均匀的MgO缓冲层也改善了界面散射，MgO缓冲层更好地匹配了Mg0.5Zn0.5O沟道晶格，减小了漏电流密度。
(2)通过本发明提供的方法制备的器件电学性能得到了增强，包括：降低关态电流和亚阈值摆幅、提高载流子迁移率和电流开关比；同时器件相应的光电性能也得到改善，包括：提高了器件的光电流、光响应度、外量子效率、探测率；并且降低了器件的响应时间。
(3)本发明器件制备工艺流程简单，并且所选用的Mg0.5Zn0.5O光敏层材料，MgO、Ta2O5绝缘层材料都具有绿色环保、安全无毒等优点，在紫外探测领域具有良好应用前景。
附图说明
图1为本发明所述预处理好的衬底的示意图。
图2为本发明所述的栅极小岛区域剖面图。
图3为本发明所述栅极小岛区域俯视图。
图4为本发明所述的沉积出Ta2O5绝缘层样本剖面图。
图5为本发明所述的沉积出MgO绝缘层的样本剖面图。
图6为本发明所述的沉积出Mg0.5Zn0.5O光敏层的样本剖面图。
图7为本发明所述的剥离出光敏层小岛区域的样本剖面图。
图8为本发明所述的剥离出光敏层小岛区域的样本俯视图。
图9为本发明所述的剥离出叉指电极的堆叠小岛的样本剖面图。
图10为本发明所述的剥离出叉指电极的堆叠小岛的样本俯视图。
图11为本发明所述的日盲紫外光敏晶体管单一器件剖面图。
图12为本发明所述的日盲紫外光敏晶体管单一器件俯视图。
图13为本发明所述的第一光刻板示意图。
图14为本发明所述的第二光刻板示意图。
图15为本发明所述的第三光刻板示意图。
具体实施方式
下面结合附图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。
本发明提供了一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，具体包括如下步骤：
一、清洁衬底1(预处理)：
所述的衬底1可以为硬质衬底(玻璃、蓝宝石、硅片等)或柔性衬底(PET聚对苯二甲酸、PI聚酰亚胺等)，本实施例中采用玻璃衬底；具体步骤如下：
1.1、先将衬底放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面分子型杂质等；
1.2、然后将步骤1.1中处理过的衬底置于乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面残余丙酮；
1.3、再将步骤1.2处理过的衬底用去离子水在室温下超声清洗3～5分钟，去除残余乙醇及离子型杂质；
1.4、将步骤1.3处理过的衬底用高纯氮气吹干，放入烘箱90℃烘干5分钟，得到衬底1，见图1。
二、栅极2沉积：
栅极材料可以为金属或氧化物导电膜，本实施例中使用铝，以电子束蒸发方法制备；具体步骤如下：
2.1、利用光刻-剥离技术，先在衬底1上旋涂第一光刻胶，曝光显影出制备单个薄膜晶体管器件的栅极2小岛区域，具体包括：
(1)涂胶，将清洗好的衬底1固定在匀胶仪上，旋涂第一光刻胶；
(2)前烘，涂好第一光刻胶的衬底1在90～92℃下前烘3分钟；
(3)曝光，涂好第一光刻胶并前烘好的衬底1用第一光刻板覆盖(如图13所示)，放置于曝光机下曝光，此时第一光刻板上的图形区域曝光，其余区域未受到光照；
(4)显影，将曝光后的衬底1置于显影液中，曝光区域对应的第一光刻胶溶于显影液，被去除，露出玻璃衬底，得到即将沉积栅极2的栅极小岛区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
2.2、将显影后的衬底1放入电子束蒸发装置生长室中，带有显影第一光刻胶的一面朝下，用电子束蒸发方法镀铝；
2.3、去胶，把经过步骤2.2处理后的样本放入丙酮中超声清洗1～2分钟，第一光刻胶溶于丙酮，玻璃衬底1表面的第一光刻胶连同其上的金属铝被去除，剩余部分(曝光区域)形成栅极小岛2；再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，得到第一基底(样品一)，见图2-3。
三、通过光刻-剥离技术曝光显影出第一堆叠区域；具体步骤如下：
利用光刻-剥离技术，先在第一基底(样品一)上旋涂第二光刻胶，曝光显影出制备单个薄膜晶体管器件的绝缘层3与4的第一堆叠小岛区域，具体包括：
3.1、涂胶，将第一基底(样品一)固定在匀胶仪上，旋涂第二光刻胶；
3.2、前烘，涂好第二光刻胶后的第一基底(样品一)在90～92℃下前烘3分钟；
3.3、曝光，涂好第二光刻胶并前烘好的第一基底(样品一)用第二光刻板覆盖(如图14所示)，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖区域曝光，其余区域未受到光照；
3.4、显影，将曝光后的第一基底(样品一)置于显影液中，曝光区域对应的第二光刻胶溶于显影液，被去除，露出玻璃衬底1和部分栅极2，得到即将沉积绝缘层3与4的第一堆叠区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干；
四、双层绝缘层3、4的沉积；具体步骤如下：
本发明所述的双层绝缘层为Ta2O5和MgO这两种不同的高介电常数的氧化物绝缘体，分别采用射频磁控溅射和原子层沉积的方法来制备Ta2O5/MgO双层绝缘层。具体包括：
4.1、将第一基底(样品一)置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，固定样品的一面朝下，沉积Ta2O5绝缘层3，具体包括：利用高纯度Ta2O5靶材(纯度为99.99％)在室温下磁控溅射沉积80nm厚的Ta2O5薄膜，得到第二基底(样品二)，见图4。其中，溅射压力为5mTorr，氧分压为5％。
4.2、将由步骤4.1沉积Ta2O5绝缘层3得到的第二基底(样品二)置于原子层沉积设备的腔室中，沉积MgO绝缘层4，具体包括：以液态双(乙基环戊二基)镁(Mg(EtCp)2)作为镁的前驱体，以去离子水和氧气等离子体为共反应物，在室温下，用ALD技术在上述Ta2O5薄膜上方沉积一层10nm厚的MgO薄膜，得到第三基底(样品三)，见图5。
五、光敏层的沉积；
本发明所述的光敏层为Mg0.5Zn0.5O薄膜，制备方法采用射频磁控溅射，具体步骤包括：
将第三基底(样品三)置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，固定样品的一面朝下，利用Mg0.5Zn0.5O靶材沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层5，氧分压30％～50％，厚度为50nm，得到第四基底(样品四)，见图6。
六、去胶；具体步骤包括：
将第四基底(样品四)放入丙酮溶液中超声清洗1分钟，第二光刻胶溶于丙酮溶液，衬底1和部分栅极2表面的第二光刻胶连同其上的绝缘层3、4和光敏层5被去除，剩余部分形成绝缘层3、4和光敏层5堆叠小岛，再用无水乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，见图7-8。
七、通过电子束蒸发蒸镀叉指电极层6，所述源、漏电极采用金属或导电氧化物，结构为叉指电极；具体步骤包括：
7.1、涂胶，将第四基底(样品四)固定在匀胶仪上，旋涂第三光刻胶；
7.2、前烘，将涂好第三光刻胶的样品在90℃下前烘3分钟；
7.3、曝光，涂好第三光刻胶、前烘后的样品，用第三光刻板(如图15所示)覆盖，所述第三光刻板上有铬涂层和没有涂铬的部分形成的图案，该图案中部为叉指图案；对板后，第三光刻板上的图案区域与Mg0.5Zn0.5O光敏层5重叠，放置于曝光机下曝光，此时图案覆盖部分曝光，其余部分未受到光照；
7.4、显影，将曝光后的样品置于显影液中，曝光区域对应的第三光刻胶溶于显影液，被去除，露出Mg0.5Zn0.5O光敏层5；
7.5、用去离子水冲洗，得到即将沉积叉指源、漏电极的区域；
7.6、将第三光刻胶显影后的样品放入电子束蒸发设备中，沉积金属铝；
7.7、将经过上述步骤处理后的样品放入丙酮溶液中超声1分钟，第三光刻胶溶于丙酮溶液，第三光刻胶连同其上的金属铝被去除，露出衬底1、部分栅极2和Mg0.5Zn0.5O光敏层5，形成叉指源、漏电极6，再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，即得叉指电极6的堆叠小岛，见图9-10。
如图11-12所示，为本发明制备得到的双绝缘层日盲紫外光敏晶体管单一器件的示意图。
本发明设计开发的日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，采用双层绝缘层和叉指源、漏电极结构。通过Ta2O5和MgO两种不同的高K介电层材料来制备双层绝缘层，综合了这两种材料的优点，即Ta2O5在日盲波段具有较强的吸收能力，可以提高器件产生的光电流，从而提高了器件的光电性能。而在Ta2O5薄膜上方增加一层MgO薄膜可以有效地改善Ta2O5薄膜的表面形貌、缺陷态密度并且可以减小泄漏电流。同时，由于MgO薄膜中存在过量的氧，过量的氧会扩散到沟道层中，沟道层中的一些氧空位因此得到了补偿，载流子浓度和缺陷态密度会降低。而且由于MgO薄膜与Mg0.5Zn0.5O沟道层之间具有良好的界面态。因此，均匀的MgO缓冲层也改善了界面散射，MgO缓冲层更好地匹配了Mg0.5Zn0.5O沟道晶格，减小了漏电流密度。所以，采用Ta2O5和MgO双层绝缘层制备的日盲紫外光敏晶体管在保证光电探测范围的条件下，增强了器件电学性能。包括：降低关态电流和亚阈值摆幅、提高器件的光电流和载流子迁移率以及电流开关比，相应的器件光电性能也得到改善，包括：提高了器件的光响应度、外量子效率、探测度；并且降低了器件的响应时间。并且器件制备工艺简单，所用材料安全环保，在紫外探测领域具有良好的应用前景。
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图例。
Claims (9)
1.一种双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对衬底进行预处理后，通过光刻剥离技术在所述衬底上曝光显影出栅极区域，并在所述栅极区域蒸镀导电膜，得到第一基底；
步骤二、在所述第一基底上通过光刻剥离技术显影出第一堆叠区域，在所述第一堆叠区域沉积Ta2O5薄膜，得到第二基底；
其中，所述第一堆叠区域所述栅极区域部分重叠；
步骤三、在所述第二基底的Ta2O5薄膜上沉积MgO薄膜，得到第三基底；
步骤四、在所述第三基底的MgO薄膜上沉积Mg0.5Zn0.5O薄膜，得到第四基底；
步骤五、在所述第四基底上通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域，在所述第二堆叠层区域沉积叉指电极层，得到所述晶体管；
其中，所述第二堆叠区域位于Mg0.5Zn0.5O薄膜上方，并且所述的第二堆叠区域的边缘与所述Mg0.5Zn0.5O薄膜的边缘完全重合。
2.根据权利要求1所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，在所述栅极区域用电子束蒸发方法镀铝，得到所述第一基底。
3.根据权利要求2所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，在所述第一基底上曝光显影出第一堆叠区域，包括如下步骤：
步骤1、在所述第一基底上旋涂光刻胶；
步骤2、将涂好光刻胶的衬底在90～92℃下前烘3分钟；
步骤3、在前烘后的第一基底上覆盖具有第一堆叠区域图案的光刻板，并曝光；
其中，所述第一基底上对应所述光刻板上的图案区域为曝光区域；
步骤4、将曝光后的第一基底置于显影液中，所述曝光区域对应的光刻胶溶于显影液，露出所述第一基底；得到所述第一堆叠区域。
4.根据权利要求3所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，利用Ta2O5靶材在所述第一堆叠区域上室温磁控溅射沉积Ta2O5薄膜；
其中，所述Ta2O5薄膜的厚度为80nm。
5.根据权利要求4所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，溅射压力为5mTorr，氧分压为5％。
6.根据权利要求4或5所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，以液态双镁作为Mg的前驱体，以去离子水和氧气等离子体为共反应物，在室温条件下沉积MgO薄膜；
其中，所述MgO薄膜的厚度为10nm。
7.根据权利要求6所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，利用Mg0.5Zn0.5O靶材沉积Mg0.5Zn0.5O薄膜；
其中，Mg0.5Zn0.5O薄膜的厚度为50nm。
8.根据权利要求7所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，氧分压为30％～50％。
9.根据权利要求8所述的双绝缘层日盲紫外光敏薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤五中，在所述第二堆叠层区域沉积金属铝得到叉指电极层。
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