CN116344546A - 基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法及应用，制备方法包括：制备具有栅电极、栅介质层、Ga2O3沟道层、源电极和漏电极的场效应晶体管阵列；其中，所述Ga2O3沟道层由掺杂有掺杂元素的Ga2O3提供；通过调节Ga2O3沟道层中掺杂元素的掺杂量和Ga2O3沟道层的厚度对电性能进行调节。本发明的技术方案具有节约成本、场效应晶体管阵列电学特性调控性强、栅介质层材料可选择范围广、器件结构设计灵活性高、可大面积制备的优点，该工艺对发展基于Ga2O3的大面积电子器件阵列的实现及其在集成电路中的应用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术领域，具体基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法及应用。
背景技术
作为一种新型超宽带隙半导体，氧化镓(Ga2O3)具有4.9eV的带隙、8MV/cm的击穿电场、2870的巴利加优值，以及对200至250nm光波段的良好光响应。近年来，以n型Ga2O3为沟道层的场效应晶体管受到了广泛关注。为了实现n型Ga2O3沟道层的良好导电性，Sn掺杂被认为是一种有效的方法。目前，分子束外延和金属有机化合物化学气相沉淀等方法已被用于制备Sn掺杂Ga2O3以实现高性能场效应晶体管。然而，这些器件总是基于单晶Ga2O3沟道，需要高温工艺和衬底与Ga2O3沟道之间的晶格匹配。此外，为了避免过多的晶格缺陷导致的电学性能降低，单晶Ga2O3中的掺杂通常会受到限制。
因此，提供一种基于大面积Ga2O3形成晶体管阵列，并能够通过制备过程中的调节，即可灵活调控晶体管阵列的电学特性，从而有效降低调控成本的晶体管阵列的制备方法是本发明亟需解决的问题。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法，其具有节约成本、场效应晶体管阵列电学特性调控性强、栅介质层材料可选择范围广、器件结构设计灵活性高、可大面积制备的优点，该工艺对发展基于Ga2O3的大面积电子器件阵列的实现及其在集成电路中的应用具有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明实施例的一个方面，提供了一种基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法，包括：制备具有栅电极、栅介质层、Ga2O3沟道层、源电极和漏电极的场效应晶体管阵列；其中，
所述Ga2O3沟道层由掺杂有掺杂元素的Ga2O3提供；
通过调节Ga2O3沟道层中掺杂元素的掺杂量和Ga2O3沟道层的厚度对电性能进行调节。
作为本发明的一种优选方案，所述掺杂元素的材料为金属锡和/或金属锡的化合物。
作为本发明的一种优选方案，所述栅电极选自金属、氧化铟锡和重掺杂Si中的至少一种。
作为本发明的一种优选方案，所述栅电极选自重掺杂Si。
作为本发明的一种优选方案，所述栅介质层的材料选自SiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、La2O3、Nd2O3、HfLaO和TaLaO中的至少一种。
作为本发明的一种优选方案，所述栅介质层的材料为SiO2和/或Ta2O5。
作为本发明的一种优选方案，所述源电极和所述漏电极各自为金属电极。
作为本发明的一种优选方案，所述源电极和所述漏电极的材料选自Cr/Ag。
作为本发明的一种优选方案，所述源电极和所述漏电极之间形成的沟道的宽长比为0.02-50：1。
作为本发明的一种优选方案，制备过程具体包括：
S100、选择衬底，在衬底上直接划分出栅电极和栅介质层，或者，对衬底表面进行处理后划分出栅电极和栅介质层；
S200、在衬底的表面共同溅射氧化镓靶材和至少一个掺杂靶材，以在衬底表面沉积获得预制氧化镓；
S300、对沉积有预制氧化镓的衬底进行后退火处理，得到预制件；
S400、在后退火处理后的预制件上的预制氧化镓表面蒸镀形成Cr/Ag金属叠层，对应形成为源极和漏极，获得场效应晶体管阵列。
作为本发明的一种优选方案，通过调节步骤S200中的共同溅射时间对Ga2O3沟道层的厚度进行调节。
作为本发明的一种优选方案，通过调节步骤S200中掺杂靶材的溅射参数对Ga2O3沟道层中掺杂元素的掺杂量进行调节。
作为本发明的一种优选方案，溅射参数至少包括溅射功率。
作为本发明的一种优选方案，所述衬底选自重掺杂Si/SiO2或重掺杂Si。
作为本发明的一种优选方案，所述衬底选自重掺杂Si。
作为本发明的一种优选方案，步骤S100具体包括：
S101、选择重掺杂Si作为衬底，对衬底进行超声清洗；
S102、将步骤S101中的重掺杂Si作为栅电极；
S103、通过磁控溅射的方式，在重掺杂Si上生长Ta2O5，获得栅介质层。
作为本发明的一种优选方案，步骤S103中，磁控溅射过程的工作参数为：本底真空度不大于2×10-4Pa；工作压强为0.2～5Pa；金属Ta靶材的直流溅射功率不低于3W；
通入的溅射气体为氩气，气体流量10～200sccm；通入的反应气体为氧气，气体流量为1～20sccm；
磁控溅射时间不低于600s。
作为本发明的一种优选方案，磁控溅射后，还包括将生长有Ta2O5的重掺杂Si置于真空或气体环境下进行快退火或慢退火，且退火温度不低于200℃，保温时间不低于3min。
作为本发明的一种优选方案，所述气体环境的气体选自氮气、空气、氩气和氧气。
作为本发明的一种优选方案，步骤S200中，共同溅射过程中的工作参数为：本底真空度不大于2×10-4Pa；工作压强为0.2～10Pa；生长温度为不低于20℃；氧化镓靶材的射频溅射功率不低于25W；掺杂靶材为金属锡靶材，且金属锡靶材的直流溅射功率不低于2W；
通入的溅射气体为氩气，气体流量10～200sccm；通入的反应气体为氧气，气体流量为1～20sccm；
共同溅射时间不低于300s。
作为本发明的一种优选方案，步骤S300中的后退火为在空气环境下进行，且退火温度为380-450℃，保温时间为1-2h。
在本发明实施例的另一个方面，还提供了一种根据上述所述的制备方法在制备电性能可调节的场效应晶体管阵列中的应用。
作为本发明的一种优选方案，所述栅电极的表面的两点之间的最大距离不大于8英寸；
作为本发明的一种优选方案，Ga2O3沟道层中，掺杂元素的原子数为Ga2O3沟道层的总原子数的1.8％-18.5％；；
作为本发明的一种优选方案，Ga2O3沟道层与栅介质层的厚度的比值为1：57-6：1。
本发明的实施方式具有如下优点：
1、本发明通过磁控溅射方法制备Ga2O3场效应晶体管阵列，其中通过调控Ga2O3沟道层的厚度可以优化场效应晶体管阵列的电学特性。
2、本发明通过磁控溅射方法制备Ga2O3场效应晶体管阵列，其中通过控制掺杂靶材的溅射功率可以调控Ga2O3沟道层的掺杂含量，从而优化场效应晶体管阵列的电学特性。
3、本发明通过磁控溅射方法制备Ga2O3场效应晶体管阵列，其中可以在各种栅介质层材料上生长Ga2O3沟道层，因此可以采用高k栅介质层制备基于高k栅介质的Ga2O3场效应晶体管阵列，从而实现低阈值电压、低偏置电压和低能耗的Ga2O3场效应晶体管阵列。
4、本发明利用磁控溅射方法的优势，可以方便高效和低成本地制备大面积Ga2O3场效应晶体管阵列。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的场效应晶体管阵列的结构示意图；
图2A为本发明实施例1提供的场效应晶体管阵列的转移特性曲线图；
图2B为本发明实施例2提供的场效应晶体管阵列的转移特性曲线图；
图2C为本发明实施例3提供的场效应晶体管阵列的转移特性曲线图；
图2D为本发明实施例4提供的场效应晶体管阵列的转移特性曲线图；
图3为本发明实施例5-7提供的场效应晶体管阵列的转移特性曲线图；
图4为本发明实施例8提供的场效应晶体管阵列的转移特性曲线图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图所示，1为基于本发明的制备方法对应制备的场效应晶体管阵列的结构示意图，其中，栅电极可选用金属、ITO(氧化铟锡)或重掺杂Si中的一种，进一步优选的，所述栅电极采用重掺杂Si；所述的栅介质层可采用SiO2、Al2O3等传统栅介质材料和HfO2、Ta2O5、La2O3、Nd2O3、HfLaO或TaLaO等高k栅介质材料中的一种，进一步优选的，所述栅介质层采用SiO2和/或高k材料Ta2O5；具体的优选实施例中，Ga2O3沟道层为通过共溅射方法制备的Sn掺杂Ga2O3(即掺杂材料具体选择的为Sn)；源电极和漏电极均采用金属电极，进一步优选的，源电极和漏电极均采用Cr/Ag；源电极和漏电极形成的场效应晶体管的沟道宽长比为W/L＝0.02-50：1，进一步优选的，所述宽长比为W/L＝5：1。进一步地，为了能够保证制备的场效应晶体管阵列的使用性能在常规要求的范围内的前提下，进一步可以实现在该范围内的电性能的调节，Sn掺杂Ga2O3中的掺杂元素Sn的含量可以进一步进行相应的限定，例如，在本发明的具体的实施例中，Sn/(Sn+Ga+O)＝1.8atomic％-18.5atomic％。
实施例1
在本实施例中，通过调控Ga2O3沟道层的厚度可以优化场效应晶体管阵列的电学特性。具体包括以下步骤：
(1)选用重掺杂Si/SiO2作为衬底，将衬底在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15分钟，并用氮气气枪吹干；
(2)将步骤(1)中的重掺杂Si作为栅电极；
(3)栅介质层采用步骤(1)中的SiO2；
(4)采用共溅射Ga2O3和Sn双靶材的方法在Si/SiO2的表面上沉积Sn掺杂Ga2O3，然后对其进行后退火处理，形成Ga2O3沟道层；
其中使用共溅射法在Si/SiO2上溅射沉积Ga2O3沟道层的工艺参数如下：
本底真空小于等于2×10-4Pa；
工作压强为0.2Pa；
Ga2O3的射频溅射功率为100W；
Sn的直流溅射功率为6W；
通入溅射气体Ar，流量为20sccm；
通入反应气体O2，流量为10sccm；
共溅射时间为3600秒。
Ga2O3沟道层的后退火参数如下：
在空气环境下快退火，退火温度400摄氏度，保温时间为60分钟。
(5)采用热蒸发的方法在上一步骤中得到的Ga2O3沟道层上蒸镀一层Cr/Ag以形成源电极和漏电极，晶体管沟道宽长比为W/L＝5/1。
制得场效应晶体管阵列A1，其转移特性曲线图如图2A所示。
实施例2
按照实施例1的制备方法进行制备，不同的是，步骤(4)中，共溅射时间为2700秒。制得场效应晶体管阵列A2，其转移特性曲线图如图2B所示。
实施例3
按照实施例1的制备方法进行制备，不同的是，步骤(4)中，共溅射时间为900秒。制得场效应晶体管阵列A3，其转移特性曲线图如图2C所示。
实施例4
按照实施例1的制备方法进行制备，不同的是，步骤(4)中，共溅射时间为450秒。制得场效应晶体管阵列A4，其转移特性曲线图如图2D所示。
实施例5
在本实施例中，通过控制Sn靶材的溅射功率可以调控Ga2O3沟道层的掺杂含量，从而优化场效应晶体管阵列的电学特性。具体包括以下步骤：
(1)选用重掺杂Si/SiO2作为衬底，将衬底在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15分钟，并用氮气气枪吹干；
(2)将步骤(1)中的重掺杂Si作为栅电极；
(3)栅介质层采用步骤(1)中的SiO2；
(4)采用共溅射Ga2O3和Sn双靶材的方法在Si/SiO2的表面上沉积Sn掺杂Ga2O3，然后对其进行后退火处理，形成Ga2O3沟道层；
其中使用共溅射法在Si/SiO2上溅射沉积Ga2O3沟道层的工艺参数如下：
本底真空小于等于2×10-4Pa；
工作压强为0.2Pa；
Ga2O3的射频溅射功率为100W；
Sn的直流溅射功率为3W；
通入溅射气体Ar，流量为20sccm；
通入反应气体O2，流量10sccm；
共溅射时间为450秒。
Ga2O3沟道层的后退火参数如下：
在空气环境下快退火，退火温度400摄氏度，保温时间为60分钟。
(6)采用热蒸发的方法在上一步骤中得到的Ga2O3沟道层上蒸镀一层Cr/Ag以形成源电极和漏电极，晶体管沟道宽长比为W/L＝5/1。
制得场效应晶体管阵列A5，其转移特性曲线图如图3所示。
实施例6
按照实施例5的制备方法进行制备，不同的是，步骤(4)中，Sn的直流溅射功率为6W。制得场效应晶体管阵列A6，其转移特性曲线图如图3所示。
实施例7
按照实施例5的制备方法进行制备，不同的是，步骤(4)中，Sn的直流溅射功率为9W。制得场效应晶体管阵列A7，其转移特性曲线图如图3所示。
实施例8
在本实施例中，采用高k栅介质层替代传统的SiO2制备基于高k栅介质的Ga2O3场效应晶体管阵列，从而实现低阈值电压、低偏置电压和低能耗的Ga2O3场效应晶体管。具体包括以下步骤：
(1)选用重掺杂Si作为衬底，将衬底在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15分钟，并用氮气气枪吹干；
(2)将步骤(1)中的重掺杂Si作为栅电极；
(3)栅介质层采用通过磁控溅射在重掺杂Si上生长的高k材料Ta2O5；
高k材料Ta2O5的制备工艺参数如下：
本底真空小于等于2×10-4Pa；
工作压强为0.5Pa；
金属Ta靶材的直流溅射功率为20W；
通入溅射气体Ar，流量为30sccm；
通入反应气体O2，流量10sccm；
溅射时间为1650秒。
高k材料Ta2O5的后退火参数如下：
在空气环境下快退火，退火温度400摄氏度，保温时间为30分钟。
(4)采用共溅射Ga2O3和Sn双靶材的方法在上一步骤中得到的Si/Ta2O5的表面上沉积Sn掺杂Ga2O3，然后对其进行后退火处理，形成Ga2O3沟道层；
其中使用共溅射法在Si/Ta2O5上溅射沉积Ga2O3沟道层的工艺参数如下：
本底真空小于等于2×10-4Pa；
工作压强为0.2Pa；
Ga2O3的射频溅射功率为100W；
Sn的直流溅射功率为6W；
通入溅射气体Ar，流量为20sccm；
通入反应气体O2，流量10sccm；
共溅射时间为3600秒。
Ga2O3沟道层的后退火参数如下：
在空气环境下快退火，退火温度400摄氏度，保温时间为90分钟。
(5)采用热蒸发的方法在上一步骤中得到的Ga2O3沟道层上蒸镀一层Cr/Ag以形成源电极和漏电极，晶体管沟道宽长比为W/L＝5/1。
制得场效应晶体管阵列A8，其转移特性曲线图如图4所示。
其中，图2A-图2D为实施例1-4中制备得到的基于不同Ga2O3沟道层厚度的Ga2O3场效应晶体管的转移特性曲线，可以看出随着溅射时间的减少，Ga2O3沟道层厚度减少，沟道的导电性得到了提升，接触电阻减小，场效应晶体管的开态电流密度和开关比都有了显著改善，并且可在120V的电压下稳定工作。此外，通过调节Ga2O3沟道层厚度，晶体管的hump效应可以被消除，这有利于晶体管在实际电路中的应用。
图3为实施例5-7中制备得到的基于不同Sn掺杂含量的Ga2O3沟道层的Ga2O3场效应晶体管的转移特性曲线，可以看出通过调节Sn靶材的溅射功率，可以有效调控Ga2O3沟道层的导电性，Sn含量在一定范围内增加可以提升沟道的导电性，并可以有效改善场效应晶体管的开态电流密度和开关比。
图4为实施例8中制备得到的基于高k栅介质Ta2O5的Ga2O3场效应晶体管的转移特性曲线，可以看出通过采用高k栅介质Ta2O5替代传统的SiO2，可以实现低阈值电压、低能耗的Ga2O3场效应晶体管，最终该器件表现出了2.65V的低阈值电压和0.37V/dec的低亚阈值摆幅。
基于上述实施例进一步证实了，本发明提供的基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法，形成了包括由下自上的栅电极、栅介质层、Ga2O3沟道层、源电极和漏电极的结构。同时，本发明基于磁控溅射方法制备了Ga2O3场效应晶体管阵列，该晶体管表现出了良好的开态电流密度和高开关比，且通过控制Ga2O3沟道层的厚度和掺杂元素含量，晶体管阵列的电学特性可被灵活调控，同时可适用于各种栅介质层材料，最终可实现大面积场效应晶体管阵列的制备。本发明的制备方法具有节约成本、场效应晶体管阵列电学特性调控性强、栅介质层材料可选择范围广、器件结构设计灵活性高、可大面积制备的优点。该工艺对发展基于Ga2O3的大面积电子器件阵列的实现及其在集成电路中的应用具有重要的意义。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于大面积Ga2O3的电性能可调节的场效应晶体管阵列的制备方法，其特征在于，包括：制备具有栅电极、栅介质层、Ga2O3沟道层、源电极和漏电极的场效应晶体管阵列；其中，
所述Ga2O3沟道层由掺杂有掺杂元素的Ga2O3提供，且所述Ga2O3沟道层为通过磁控溅射的方式制备；
通过调节Ga2O3沟道层中掺杂元素的掺杂量和Ga2O3沟道层的厚度对电性能进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种制备方法，其特征在于，所述掺杂元素的材料为金属锡和/或金属锡的化合物；
优选地，所述栅电极选自金属、氧化铟锡和重掺杂Si中的至少一种；
更为优选地，所述栅电极选自重掺杂Si。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备方法，其特征在于，所述栅介质层的材料选自SiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、La2O3、Nd2O3、HfLaO和TaLaO中的至少一种；
优选地，所述栅介质层的材料为SiO2和/或Ta2O5。
4.根据权利要求1或2所述的一种制备方法，其特征在于，所述源电极和所述漏电极各自为金属电极；
优选地，所述源电极和所述漏电极的材料选自Cr/Ag；
更为优选地，所述源电极和所述漏电极之间形成的沟道的宽长比为0.02-50：1。
5.根据权利要求1或2所述的一种制备方法，其特征在于，制备过程具体包括：
S100、选择衬底，在衬底上直接划分出栅电极和栅介质层，或者，对衬底表面进行处理后划分出栅电极和栅介质层；
S200、在衬底的表面共同溅射氧化镓靶材和至少一个掺杂靶材，以在衬底表面沉积获得预制氧化镓；
S300、对沉积有预制氧化镓的衬底进行后退火处理，得到预制件；
S400、在后退火处理后的预制件上的预制氧化镓表面蒸镀形成Cr/Ag金属叠层，对应形成为源极和漏极，获得场效应晶体管阵列；
优选地，通过调节步骤S200中的共同溅射时间对Ga2O3沟道层的厚度进行调节；
更为优选地，通过调节步骤S200中掺杂靶材的溅射参数对Ga2O3沟道层中掺杂元素的掺杂量进行调节；
进一步优选地，溅射参数至少包括溅射功率。
6.根据权利要求5所述的一种制备方法，其特征在于，所述衬底选自重掺杂Si/SiO2或重掺杂Si；
优选地，所述衬底选自重掺杂Si。
7.根据权利要求6所述的一种制备方法，其特征在于，步骤S100具体包括：
S101、选择重掺杂Si作为衬底，对衬底进行超声清洗；
S102、将步骤S101中的重掺杂Si作为栅电极；
S103、通过磁控溅射的方式，在重掺杂Si上生长Ta2O5，获得栅介质层。
8.根据权利要求7所述的一种制备方法，其特征在于，步骤S103中，磁控溅射过程的工作参数为：本底真空度不大于2×10-4Pa；工作压强为0.2～5Pa；金属Ta靶材的直流溅射功率不低于3W；
通入的溅射气体为氩气，气体流量10～200sccm；通入的反应气体为氧气，气体流量为1～20sccm；
磁控溅射时间不低于600s；
优选地，磁控溅射后，还包括将生长有Ta2O5的重掺杂Si置于真空或气体环境下进行快退火或慢退火，且退火温度不低于200℃，保温时间不低于3min；
更为优选地，所述气体环境的气体选自氮气、空气、氩气和氧气。
9.根据权利要求5所述的一种制备方法，其特征在于，步骤S200中，共同溅射过程中的工作参数为：本底真空度不大于2×10-4Pa；工作压强为0.2～10Pa；生长温度为不低于20℃；氧化镓靶材的射频溅射功率不低于25W；掺杂靶材为金属锡靶材，且金属锡靶材的直流溅射功率不低于2W；
通入的溅射气体为氩气，气体流量10～200sccm；通入的反应气体为氧气，气体流量为1～20sccm；
共同溅射时间不低于300s；
优选地，步骤S300中的后退火为在空气环境下进行，且退火温度为380-450℃，保温时间为1-2h。
10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述的制备方法在制备电性能可调节的场效应晶体管阵列中的应用；
优选地，所述栅电极的表面的两点之间的最大距离不大于8英寸；
优选地，Ga2O3沟道层中，掺杂元素的原子数为Ga2O3沟道层的总原子数的1.8％-18.5％；
更为优选地，Ga2O3沟道层与栅介质层的厚度的比值为1：57-6：1。
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