CN114361253A - 一种氧化物半导体双极型晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化物半导体双极型晶体管及其制造方法，所述晶体管包括：基底；集电极，位于所述基底上；n型集电区，形成于所述集电极之上；p型基区，形成于所述n型集电区之上；n型发射区，形成于所述p型基区之上；基极，形成于所述p型基区之上靠近边缘位置；发射极，位于所述n型发射区上。本发明还提供了一种半导体双极型晶体管的制备方法，所有材料制备均可通过磁控溅射实现，操作简单，工艺成本较低。在沉积氧化物半导体薄膜时，通过选择合适的磁控溅射工艺过程中氩气与氧气的通气比例，以及退火环境和氛围，成功调整了薄膜中电子或空穴的浓度，使该器件成功实现双极型晶体管的特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是一种基于氧化物半导体的双极型晶体管及其制备方法。
背景技术
最近，金属氧化物半导体这类材料受到广泛关注，其中最具代表性的就是2004年东京工业大学Hosono教授报道的铟镓锌氧化物IGZO。由于其高迁移率、高开关电流比以及高透光率等特点，已经作为新的有源驱动电路被广泛应用于平板显示商业产品中。此外，金属氧化物半导体还具有柔性、宽禁带以及制备成本低等诸多有点，还有望用于柔性集成电路、电子皮肤、生物医疗等诸多领域。
目前大部分有关金属氧化物半导体的研究都是将其作为薄膜晶体管(TFT)的有源层材料进行的。薄膜晶体管的工作原理与MOS管类似，都基于场效应原理工作，通过栅极施加电压，在半导体有源层中感应出沟道，然后在漏端施加电压，载流子在横向电场作用在在沟道中输运，产生电流。薄膜晶体管是一种压控型、单类型载流子器件。众所周知，硅基器件中使用最广泛地除了MOS管之外，还有双极型晶体管(BJT)。双极型晶体管是一种流控型、双极型载流子器件，由两个背靠背的pn结构成以获得信号增益，其具有跨导较高、电流驱动能力较强等优点，在功率控制与模拟电路应用方面仍然具有不可替代的地位。因此，若要利用氧化物半导体实现高性能的柔性集成电路，基于氧化物半导体的双极型晶体管是不可或缺的一环。
然而，目前尚未有基于氧化物半导体制备双极型晶体管的研究，并且p型氧化物半导体工艺不成熟，与n型半导体相比性能还存在差距。
发明内容
技术问题：鉴于上述问题，本发明提供了一种氧化物半导体双极型晶体管及其制备方法，成功实现BJT的基本特性。
技术方案：本发明提供的一种氧化物半导体双极型晶体管包括：
基底
位于基底上的绝缘层；
位于所述绝缘层上的集电极，
n型氧化物半导体构成的集电区，形成于所述集电极之上；
p型氧化物半导体构成的基区，形成于所述n型集电区之上；
n型氧化物半导体构成的发射区，形成于所述p型基区之上；
基极，形成于所述p型基区之上靠近边缘位置；
发射极，位于所述n型发射区上。
其中，
所述基底和所述基底上的绝缘层所用材料为SiO2，厚度为100nm。
所述集电极所用材料为金属Mo，厚度为50～200nm。
所述n型集电区所用材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为100～400nm。
所述p型基区所用材料为氧化亚锡SnO，厚度为150～300nm。
所述n型发射区所用材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为100～500nm。
本发明的氧化物半导体双极型晶体管的制备方法包括：
步骤1，清洗基底；在基底上形成绝缘层：清洗步骤是将基底按顺序分别置于丙酮、乙醇、去离子水中超声10min，然后用高纯氮气将其吹干，硅衬底上采用热氧化法生长了SiO2氧化层形成绝缘层；
步骤2，在所述基底上形成集电极：首先在衬底上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影步骤形成图形；然后利用磁控溅射工艺沉积靶材，溅射功率100W，沉积压降0.6Pa，氩气通量为40SCCM，薄膜厚度100nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干；
步骤3，在所述集电极上形成n型集电区；采用射频磁控溅射沉积n型集电区，然后在IGZO薄膜上旋涂正性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影步骤形成图形；之后利用HCl与去离子水经过1:100稀释的溶液刻蚀250s，冲淋后置于丙酮溶液中去胶；最后将样品清洗、吹干；
步骤4，在所述n型集电区上形成p型基区；首先在n型集电区上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影步骤形成图形；然后采用反应溅射沉积p型基区，之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干；
步骤5，在所述p型基区上形成n型发射区；首先在p型基区上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射沉积n型发射区，之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干；
步骤6，在所述p型基区上形成基极；首先在衬底上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射工艺沉积靶材，溅射功率100W，沉积压降0.6Pa，氩气通量为40SCCM，薄膜厚度100nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干，在p型基区上形成基极，在n型发射区上形成发射极。
所述采用射频磁控溅射沉积n型集电区，靶材为IGZO，溅射功率为100W，沉积压强为5mTorr，氩气与氧气通气比为50:5；并进行退火处理。
所述采用反应溅射沉积p型基区，靶材为金属Sn，溅射功率为50W，沉积压强为1.5mTorr，氩气与氧气通气比为23:2；并进行退火处理。
所述采用射频磁控溅射沉积n型发射区，靶材为IGZO，溅射功率为100W，沉积压强为5mTorr，氩气与氧气通气比为50:0.5；并进行退火处理。
有益效果：本发明提供了一种基于氧化物半导体的双极型晶体管器件及其制备方法，通过改变磁控溅射过程中氩气与氧气的比例以及退火环境和温度等参数来调整发射区、基区集电区的电子或空穴浓度，来确保载流子的正常输运。对于磁控溅射沉积的IGZO薄膜，沉积过程中通氧比例越高，薄膜中氧空位越少，电子浓度越低。退火过程中，退火温度越高，IGZO薄膜中的氧越容易逸出，导致氧空位增多，电子浓度增大；而退火环境中的氧含量越高，在退火时环境中的氧会填补氧空位，使薄膜中氧空位减少，电子浓度减小。结合本发明的实施例，集电区IGZO沉积过程中氧通量为5，退火环境为空气，所以形成的薄膜氧空位较少，电子浓度较低，经测量后约为5e16cm-3；而发射区的IGZO沉积过程中氧通量为0.5，退火环境为真空，所以形成的薄膜中氧空位较多，电子浓度达到1e18cm-3。对于磁控溅射的SnO薄膜，沉积功率与通气比会极大影响薄膜成分，而后续退火步骤有助于SnO的结晶，但温度过高又容易导致歧化反应发生使SnO2成分增多。结合本发明的实施例，氩气与氧气通气比例为23:2，退火温度250℃时，制备出的SnO薄膜呈p型，空穴浓度为1e17cm-3。由于SnO为基区，基区宽度显著影响器件性能，基区过宽会导致载流子在基区过多复合，影响电流放大倍数；基区过窄会导致穿通，器件无法正常工作。
本发明中所有材料均采用磁控溅射的方法制备，制备温度低、成本低，并且工艺兼容性好，并且没有多余废料产生，有利于节能环保。
附图说明
图1是本发明的一实施例中半导体氧化物双极型晶体管的示意图；
图2是一实施例中半导体氧化物双极型晶体管的制造方法的流程图；
图3是本发明实施例氧化物半导体双极型晶体管的转移特性曲线；
图4是本发明实施例氧化物半导体双极型晶体管的输出特性曲线。
图中有：基底110、绝缘层112、集电极120、n型集电区130、p型基区140、n型发射区150、基极160、集电极162。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
金属氧化物半导体由于其高迁移率、高开关电流比、高透光率、柔性、宽禁带以及制备成本低等特点而受到广泛关注在平板显示、柔性集成电路、电子皮肤、生物医疗等诸多领域具有广泛的应用前景。
目前，大部分有关金属氧化物半导体的研究都是将其作为薄膜晶体管(TFT)的有源层材料进行的。薄膜晶体管的工作原理与MOS管类似，是一种压控型、单类型载流子器件。而硅基器件中除了MOS管之外，双极型晶体管(BJT)也是十分关键的一类器件。双极型晶体管由于其具有跨导较高、电流驱动能力较强等优点，在功率控制与模拟电路应用方面仍然具有不可替代的地位。因此，若要利用氧化物半导体实现高性能的柔性集成电路，基于氧化物半导体的双极型晶体管是不过或缺的一环。然而，目前尚未有基于氧化物半导体制备双极型晶体管的研究。本发明提出了一种基于氧化物半导体的双极型晶体管及其制备方法。
图1是本发明一实施例中氧化物半导体双极型晶体管的示意图，该双极型晶体管包括：
基底110，
位于基底110上的绝缘层112；
位于所述绝缘层112上的集电极120，
n型氧化物半导体构成的集电区130，形成于所述集电极120之上；
p型氧化物半导体构成的基区140，形成于所述n型集电区130之上；
n型氧化物半导体构成的发射区150，形成于所述p型基区140之上；
基极160，形成于所述p型基区140之上靠近边缘位置；
发射极162，位于所述n型发射区150上。
本发明中，所述基底包括半导体衬底和半导体衬底上的绝缘氧化层。所述集电极为金属钼Mo电极。所述n型集电区材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为100～400nm。所述p型基区材料为氧化亚锡SnO，厚度为150～500nm。；所述n型发射区材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为100～500nm。
图2为一实施例中氧化物半导体双极型晶体管的制造方法的流程图，该方法可以用于制造图1所示的氧化物半导体双极型晶体管，包括如下步骤：
S210，获取基底并清洗。
基底可以是本领域习知的刚性基底(例如玻璃)或柔性基底，并且可以在基底上制备氧化层作为缓冲。在一个实施例中，基底为半导体衬底，例如硅衬底。在一个实施例中，硅衬底上采用热氧化法生长了SiO2氧化层。清洗步骤是将基底按顺序分别置于丙酮、乙醇、去离子水中超声10min，然后用高纯氮气将其吹干。
S220，在基底上形成集电极。
在本实施例中，为了避免后续刻蚀步骤对栅极产生影响，采用金属Mo作为栅电极。也可以采用本领域习知的其他材质/结构作为栅电极。首先在衬底上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射工艺沉积金属Mo，参数如下：靶材为Mo，溅射功率100W，沉积压降0.6Pa，氩气通量为40SCCM，薄膜厚度100nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干。
S230，在集电极上形成n型集电区。
在本实施例中，采用铟镓锌氧化物IGZO作为n型集电区。首先利用磁控溅射沉积IGZO层，参数如下：靶材为IGZO，溅射功率100W，沉积压降5mTorr，氩气与氧气通气比为50:5，薄膜厚度200nm；然后在IGZO薄膜上旋涂正性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；之后利用37％的HCl与去离子水经过1:100稀释的溶液刻蚀250s，冲淋后置于丙酮溶液中去胶；最后将样品清洗、吹干。
在本实施例中，IGZO薄膜在空气中250℃条件下退火1h。
S240，在n型集电区上形成p型基区。
在本实施例中，采用氧化亚锡SnO作为p型基区。由于SnO不易被刻蚀，故采用lift-off进行图案化。首先在n型集电区上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用反应溅射沉积SnO层，参数如下：靶材为金属Sn，溅射功率50W，沉积压降1.5mTorr，氩气与氧气通气比为23:2，薄膜厚度250nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干。
在本实施例中，SnO薄膜在空气中250℃条件下退火1h。
S250，在p型基区上形成n型发射区。
在本实施例中，采用铟镓锌氧化物IGZO作为n型发射区。为了保护集电区的IGZO不受影响，故此步骤仍然采用lift-off进行图案化。首先在p型基区上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射沉积IGZO层，参数如下：靶材为IGZO，溅射功率100W，沉积压降5mTorr，氩气与氧气通气比为50:0.5，薄膜厚度300nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干。
在本实施例中，IGZO薄膜在真空中250℃条件下退火1h。
S260，在p型基区上形成基极，在n型发射区上形成发射极。
在本实施例中，基极、发射极采用金属Mo电极。在其他实施例中，也可以采用其他本领域习知的其它材质作为基极/发射极。首先在衬底上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射工艺沉积金属Mo，参数如下：靶材为Mo，溅射功率100W，沉积压降0.6Pa，氩气通量为40SCCM，薄膜厚度100nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干。
上述氧化物半导体双极型晶体管的制造方法，利用磁控溅射工艺分别制备出了n型IGZO、p型SnO薄膜，并通过改变沉积过程中氩气与氧气的通气比以及退火环境和温度等参数，调整了薄膜中的载流子浓度；同时通过控制溅射时间来调整SnO形成的p型基区宽度，使其满足让制备的双极型晶体管正常工作的条件。
申请还提供一种氧化物半导体双极型晶体管，该氧化物半导体双极型晶体管可以通过以上任一实施例的制造方法进行制备。如图1所示，氧化物半导体双极型晶体管包括基底110、集电极120、n型集电区130、p型基区140、n型发射区150、基极160以及发射极162。基底110可以是本领域习知的刚性基底(例如玻璃)或柔性基底。在一个实施例中，基底为半导体衬底，例如硅衬底。需要指出的是，各膜层在图1中的尺寸只是一个示意，并不代表其实际尺寸。
集电极120形成于基底110上。在一个实施例中，集电极120为金属Mo电极，通过磁控溅射工艺制备，厚度为100nm。
n型集电区130形成于集电极120之上；p型基区140形成于n型集电区130之上；n型发射区150形成于p型基区140之上。在一个实施例中，n型集电区130所采用材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为200nm；p型基区140所采用材料为氧化亚锡SnO，厚度为250nm；n型发射区150所采用材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为300nm。
基极160形成于p型基区140之上，发射极162形成于n型发射区150之上。在一个实施例中，基极160为金属Mo电极、厚度为100nm，发射极162为金属Mo电极、厚度为100nm；在其他实施例中，也可以采用本领域习知的其他材质/结构作为基极和发射极。
在图1所示的实施例中，氧化物半导体双极型晶体管还包括设于基底110上的绝缘氧化层112。在一个实施例中，绝缘氧化层112的材质为二氧化硅。
在氧化物半导体双极型晶体管工作时，集电极120接地，发射极162接正电压，基极160所施加电压值介于集电极120和发射极162电压之间。此时n型发射区150与p型基区140形成的pn结正偏，大量电子由n型发射区150注入p型基区140；由于p型基区140空穴浓度较低，少量电子在p型基区140与空穴复合，大部分则是穿过p型基区140，到达n型集电区130，从而形成电流。
图3是本发明实施例氧化物半导体双极型晶体管的转移特性曲线，图4是本发明实施例氧化物半导体双极型晶体管的输出特性曲线。可以看出，本发明的实施例具有良好的双极型晶体管的特性。
本发明的氧化物半导体双极型晶体管的制备方法，包括：清洗基底；在所述基底上形成集电极；在所述集电极上形成n型集电区；在所述n型集电区上形成p型基区；在所述p型基区上形成n型发射区；在所述p型基区上形成基极；所述n型发射区上形成发射极。
综上所述，本发明提供了一种基于氧化物半导体的双极型晶体管器件及其制备方法，通过改变磁控溅射过程中氩气与氧气的比例以及退火环境和温度等参数来调整发射区、基区集电区的电子或空穴浓度，来确保载流子的正常输运。对于磁控溅射沉积的IGZO薄膜，沉积过程中通氧比例越高，薄膜中氧空位越少，电子浓度越低。退火过程中，退火温度越高，IGZO薄膜中的氧越容易逸出，导致氧空位增多，电子浓度增大；而退火环境中的氧含量越高，在退火时环境中的氧会填补氧空位，使薄膜中氧空位减少，电子浓度减小。结合本发明的实施例，集电区IGZO沉积过程中氧通量为5，退火环境为空气，所以形成的薄膜氧空位较少，电子浓度较低，经测量后约为5e16cm-3；而发射区的IGZO沉积过程中氧通量为0.5，退火环境为真空，所以形成的薄膜中氧空位较多，电子浓度达到1e18cm-3。对于磁控溅射的SnO薄膜，沉积功率与通气比会极大影响薄膜成分，而后续退火步骤有助于SnO的结晶，但温度过高又容易导致歧化反应发生使SnO2成分增多。结合本发明的实施例，氩气与氧气通气比例为23:2，退火温度250℃时，制备出的SnO薄膜呈p型，空穴浓度为1e17cm-3。由于SnO为基区，基区宽度显著影响器件性能，基区过宽会导致载流子在基区过多复合，影响电流放大倍数；基区过窄会导致穿通，器件无法正常工作。本实施例中，SnO薄膜厚度为250nm，此时制备的器件拥有良好的特性。
本发明中所有材料均采用磁控溅射的方法制备，制备温度低、成本低，并且工艺兼容性好，并且没有多余废料产生，有利于节能环保。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种氧化物半导体双极型晶体管，其特征在于该双极型晶体管包括：
基底(110)
位于基底(110)上的绝缘层(112)；
位于所述绝缘层(112)上的集电极(120)，
n型氧化物半导体构成的集电区(130)，形成于所述集电极(120)之上；
p型氧化物半导体构成的基区(140)，形成于所述n型集电区(130)之上；
n型氧化物半导体构成的发射区(150)，形成于所述p型基区(140)之上；
基极(160)，形成于所述p型基区(140)之上靠近边缘位置；
发射极(162)，位于所述n型发射区(150)上。
2.根据权利要求1所述的氧化物半导体双极型晶体管，其特征在于，所述基底(110)和所述基底上的绝缘层(112)所用材料为SiO2，厚度为100nm。
3.根据权利要求1所述的氧化物半导体双极型晶体管，其特征在于，所述集电极(120)所用材料为金属Mo，厚度为50～200nm。
4.根据权利要求1所述的氧化物半导体双极型晶体管，其特征在于，所述n型集电区(130)所用材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为100～400nm。
5.根据权利要求1所述的氧化物半导体双极型晶体管，其特征在于，所述p型基区(140)所用材料为氧化亚锡SnO，厚度为150～300nm。
6.根据权利要求1所述的氧化物半导体双极型晶体管，其特征在于，所述n型发射区(150)所用材料为铟镓锌氧化物IGZO，厚度为100～500nm。
7.一种如权利要求1所述的氧化物半导体双极型晶体管的制备方法，其特征在于该制备方法包括：
步骤1，清洗基底(110)；在基底(110)上形成绝缘层(112)：清洗步骤是将基底按顺序分别置于丙酮、乙醇、去离子水中超声10min，然后用高纯氮气将其吹干，硅衬底上采用热氧化法生长了SiO2氧化层形成绝缘层(112)；
步骤2，在所述基底(110)上形成集电极(120)：首先在衬底上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影步骤形成图形；然后利用磁控溅射工艺沉积靶材，溅射功率100W，沉积压降0.6Pa，氩气通量为40SCCM，薄膜厚度100nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干；
步骤3，在所述集电极(120)上形成n型集电区(130)；采用射频磁控溅射沉积n型集电区(130)，然后在IGZO薄膜上旋涂正性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影步骤形成图形；之后利用HCl与去离子水经过1:100稀释的溶液刻蚀250s，冲淋后置于丙酮溶液中去胶；最后将样品清洗、吹干；
步骤4，在所述n型集电区(130)上形成p型基区(140)；首先在n型集电区(130)上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影步骤形成图形；然后采用反应溅射沉积p型基区(140)，之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干；
步骤5，在所述p型基区(140)上形成n型发射区(150)；首先在p型基区上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射沉积n型发射区(150)，之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干；
步骤6，在所述p型基区(150)上形成基极(160)；首先在衬底上旋涂负性光刻胶，并经过前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成图形；然后利用磁控溅射工艺沉积靶材，溅射功率100W，沉积压降0.6Pa，氩气通量为40SCCM，薄膜厚度100nm；之后将基底置于NMP去胶液中进行lift-off，实现图形化；最后将基底清洗、吹干，在p型基区上形成基极，在n行发射区上形成发射极。
8.根据权利要求7所述的氧化物半导体双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述采用射频磁控溅射沉积n型集电区(130)，靶材为IGZO，溅射功率为100W，沉积压强为5mTorr，氩气与氧气通气比为50:5；并进行退火处理。
9.根据权利要求7所述的氧化物半导体双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述采用反应溅射沉积p型基区(140)，靶材为金属Sn，溅射功率为50W，沉积压强为1.5mTorr，氩气与氧气通气比为23:2；并进行退火处理。
10.根据权利要求7所述的氧化物半导体双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述采用射频磁控溅射沉积n型发射区(150)，靶材为IGZO，溅射功率为100W，沉积压强为5mTorr，氩气与氧气通气比为50:0.5；并进行退火处理。
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