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半导体器件及其制造方法

阅读：1026发布：2020-11-10

专利汇可以提供半导体器件及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种半导体器件，包括衬底、位于衬底上的半导体以及位于非晶态氧化物半导体上的两个金属电极，基本结构为金属-半导体-金属(MSM)。其中，半导体为宽带隙(＞3.0eV)非晶态氧化物半导体，其材料成分可为掺In的ZnO系半导体，具体地，包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其中，[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。此外半导体还可为非晶态下的In2O3、ZTO、ITO、ZnO、SnOx等材料。该器件的半导体层用于紫外光电探测。依照本发明的MSM型紫外探测器由于采用了非晶态氧化物半导体而具有高效、低成本和大面积均匀的优点。，下面是半导体器件及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种MSM型紫外探测器件，包括：
衬底；
宽带隙的非晶态氧化物半导体，位于所述衬底上，所述非晶态氧化物半导体表现出短程有序，各向同性；以及
两个交错的金属电极，相对地位于所述非晶态氧化物半导体上；
其中，所述两个交错的金属电极与所述非晶态氧化物半导体构成两个对接的肖特基二极管；
其中，所述非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体，所述掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％；
10 0
其中，非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体且具有(n-1)d ns的电子结构，其中n>4。
2.如权利要求1所述的MSM型紫外探测器件，其中，所述掺In的ZnO基半导体包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、Al InZnO、SnInZnO。
3.如权利要求1所述的MSM型紫外探测器件，其中，各元素原子计数比为[In]:[第三金属]:[Zn]:[O]＝1:1:1:1或者1:1:1:2或者2:2:2:1或者1:1:1:4。
4.如权利要求1所述的MSM型紫外探测器件，其中，所述非晶态氧化物半导体厚度为1至10000nm。
5.如权利要求1所述的MSM型紫外探测器件，其中，所述衬底包括表面为二氧化硅的硅片、玻璃、石英或塑料，所述金属电极包括Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu。
6.一种MSM型紫外探测器件的制造方法，包括：
在衬底上通过磁控溅射法淀积宽禁带的非晶态氧化物半导体，所述非晶态氧化物半导体表现出短程有序，各向同性；以及
在所述非晶态氧化物半导体上溅射淀积相对的两个交错的金属电极；
其中，所述两个交错的金属电极与所述非晶态氧化物半导体构成两个对接的肖特基二极管；
其中，所述非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体，所述掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％；
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其中，非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体且具有(n-1)d ns的电子结构，其中n>4。
7.如权利要求6所述的MSM型紫外探测器件的制造方法，其中，所述掺In的ZnO基半导体包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、Al InZnO、SnInZnO。
8.如权利要求6所述的MSM型紫外探测器件的制造方法，其中，各元素原子计数比为[In]:[第三金属]:[ZnO]:[O]＝1:1:1:1或者1:1:1:2或者2:2:2:1或者1:1:1:4。

说明书全文

半导体器件及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，特别是涉及一种低成本大尺寸宽带隙非晶态氧化物半导体的金属-半导体-金属(MSM)型紫外探测器及其制造方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着天文、高能物理、空间技术等领域的研究和探索工作的不断深入，对紫外探测技术和探测材料提出了更高的要求。紫外(UV)探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术，在军事和民用方面均有很高的应用价值。军事上，紫外探测技术可用于导弹制导、导弹预警、紫外通信、紫外干扰、光电对抗等领域，这些已引起军方的高度重视。紫外探测技术在民用领域巾，可用于紫外天文学、紫外树脂同化、燃烧工程及紫外水净化处理巾的紫外线测量、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染检测等非常广泛的领域。

[0003] 相比于传统红外探测器，紫外探测具备独特优势：比如说紫外探测可以用于在白天探测导弹或飞机，如果此时用红外，会受日光影响。紫外线在进入大气层时被吸收(200-290nm，日盲区)，而红外线则能穿过大气，所以大气环境里的红外干扰比较严重，而紫外环境相对较干净。所以紫外探测器可以在强红外干扰环境下探测热源。而且现在有的加油站里也在用紫外热源探测器来探测是否有危险热源。而红外探测器就容易因为干扰热源太多而产生误报警。

[0004] 紫外探测技术的关键是研制高灵敏度、低噪声的紫外探测器。紫外成像的探测器可大致分为两类：光阴极探测器和半导体探测器。相比光阴极探测器，半导体紫外探测不仅更紧凑，更坚固，具有更高的量子效率，驱动电压更低，而且还能在高温环境中获得更好的稳定性。典型的紫外固体探测器有Si(或者GeSi，PtSi等)紫外探测器、SiC紫外探测器以及AlGaN(或者GaN)紫外探测器。制作的工艺方法包括化学气相沉积法(CVD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(SOL-GEL)、水热法等。上述方法中半导体材料一般处于多晶态、晶态或者超晶格。

[0005] ZnO是一种直接带隙宽禁带氧化物半导体材料，可作为紫外探测器的材料，室温下其禁带宽度约为3.37eV，激子复合能高达60meV。不仅如此，ZnO还具有生长温度低、较低的电子诱生缺陷、阈值电压低等优点，并且原料易得、价廉、无污染。常见的制作方法为磁控溅射法(Sputter)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(SOL-GEL)、水热法等。

[0006] 然而，在上述方法中ZnO 薄膜一般处于多晶态或者晶态，制作工艺复杂，成本高，有效面积(晶态区)小，薄膜均匀性差，探测效率低，载流子漂移速度低等。

[0007] 综上所述，现有的半导体紫外探测器由于其所用的半导体材料处在多晶态或晶态，具有效率低、成本高、薄膜均匀性差等等缺点。因此发展一种高效低成本大面积均匀的紫外探测半导体材料具有很大意义。

发明内容

[0008] 本发明需要解决的技术问题就在于克服现有多晶态或者晶态ZnO基宽带半导体薄膜在紫外探测器中的工艺、成本、均匀性、响应效率和反应速度等一系列问题，提供一种新型的高效低成本大面积均匀的应用于紫外探测的非晶态氧化物半导体材料。

[0009] 本发明提供了一种半导体器件，包括衬底、位于衬底上的宽带隙(＞3.0eV)非晶态氧化物半导体以及位于非晶态氧化物半导体上的相对的两个金属电极，其中，非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体或其它二元或多元非晶态氧化物半导体。

[0010] 本发明还提供了一种半导体器件的制造方法，包括：在衬底上通过磁控溅射法淀积非晶态氧化物半导体，在非晶态氧化物半导体溅射相对的两个淀积金属电极，其中，非晶态氧化物半导体为掺In的ZnO基半导体或其它二元或多元非晶态氧化物半导体。

[0011] 具体地，衬底包括表面为二氧化硅的硅片、玻璃、石英或塑料；非晶态氧化物半导体包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO以及In2O3、ZTO、ITO、ZnO、SnOx等，其中，掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等；金属电极包括Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu 。

[0012] 由于非晶态氧化物半导体表现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成大面积薄膜，并且在能带中缺陷较多、引入较多的局域能级，更有利于短波光波的吸收，因此依照本发明的非晶态氧化物半导体MSM型紫外探测器具有高效、低成本和大面积均匀的优点。

[0013] 本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。附图说明

[0014] 以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

[0015] 图1是依照本发明的非晶态氧化物半导体MSM型紫外探测器的示意图；

[0016] 图2是依照本发明的非晶态氧化物半导体MSM型紫外探测器中肖特基二极管的示意图及其相应的能带图；以及

[0017] 图3是依照本发明的非晶态氧化物半导体MSM型紫外探测器的不同In含量下InZnO的XRD的分析曲线。

[0018] 附图标记：

[0019] 1、衬底

[0020] 2、非晶态氧化物半导体

[0021] 3/3’、金属电极

具体实施方式

[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种低成本大尺寸非晶态氧化物半导体的MSM型紫外探测器及其制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构的空间、次序或层级关系。

[0023] 如图1所示，本发明为一种金属-半导体-金属(MSM)型紫外探测器件，包括衬底1、非晶态氧化物半导体2以及金属电极3与金属电极3’。其中，衬底1为绝缘衬底并提供支撑，其材质例如为表面为二氧化硅的硅片(优选为绝缘体上硅SOI，也可以在体硅衬底上沉积或热氧化制成二氧化硅的衬垫层)、玻璃(可以掺杂为常用的硼磷硅玻璃BPSG，也可以是旋涂玻璃SOG，玻璃衬底1优选具有矩形形状以适于切割和大面积制造)、石英、塑料(优选为具有较高熔点和硬度以及良好绝缘性的组合物)等。衬底1基本为平板状，包括一对主表面，也即下表面和上表面，还包括位于上下主表面之间的侧表面。衬底1的上表面可以具有粗糙结构、周期性凹凸结构，以便增强接合强度，例如通过稀H F酸湿法刻蚀或等离子体刻蚀等常用技术来实现，还可以形成缓冲层以减缓应力或粘合层以增强接合强度(缓冲层或粘合层未示出)。

[0024] 衬底1的上表面上形成有由非晶态氧化物半导体2构成的半导体光电探测薄膜，其材质为掺In的ZnO基半导体或其它二元非晶态氧化物半导体，掺In的ZnO基半导体例如为GaInZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其它二元或多元非晶态氧化物半导体例如为In2O3、ZTO、ITO、ZnO、SnOx(x＝1～2)等。其中，掺In的ZnO系半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。材料中In原子外层电子是主要导电电子源，通过相邻氧空位导电，Zn原子起到稳定微晶胞结构的作用，而其他Ga、Hf、Ta、Zr、Y、Al、Sn等等第三掺杂剂起控制氧空位的产生率从而改变半导体的导电率。常见的制作方法为磁控溅射法(Sputter)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(SOL-GEL)、水热法等，在本发明中优选使用磁控溅射法。控制其制造工艺的参数来控制所形成的掺In的ZnO基半导体的材质特性，例如选择合适的Ar/O2比例、溅射气压、溅射功率、衬底温度、退火时间及温度等等。优选条件：Ar/O2＝100∶x，x∶0～50；气压10～
1000mtorr；功率50～500W；溅射衬底温度室温到400℃；退火100～450℃，10min～10hr。
可依据器件电学性能需要和对于紫外线的透光需要选择形成的非晶态氧化物半导体2的厚度为1至10000nm，优选为20至2000nm，尤其是40至200nm，特别是60nm 。对于其他二元或多元非晶态氧化物半导体，可以通过合理调整原子计数比以及溅射工艺参数来控制成膜状态，与掺In的ZnO基非晶态氧化物类似，可例如通过添加第三金属或者调整成膜厚度来得到所需的非晶态氧化物半导体，这些技术对本领域技术人员而言是公知常用的。

[0025] 在非晶态氧化物半导体2上形成一对金属电极3/3’，优选采用溅射淀积的方式，其材质例如为Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu等。如图1所示，金属电极3与金属电极3’相对设置，优选形成为交错的一对电极用于偏压和引出。金属电极3/3’的形状不限于图中所示，还可以是平行或不平行的直线、折线或曲线，具体的布线依据MSM结构所需的二极管电学特性需要而设定。在上述器件中，如图2所示，金属电极3、3’与非晶态氧化物半导体2构成肖特基二极管，同时两个金属电极3/3’与同一非晶态氧化物半导体薄膜2形成两个二极管对接结构(MSM结构)。在一对电极3、3’上加偏置电压时，一个正向偏置一个反向偏置，引出偏压电流，通常状况下没有接收到紫外线辐射时器件的暗电流极小。当外部紫外线照射下，掺In的ZnO或其他材料制成的宽禁带的非晶态氧化物半导体2产生光生载流子，由此提供额外的光电流并由电极3、3’引出产生探测信号，经引出传输至处理电路、显示系统从而标志出探测到紫外线。

[0026] 非晶态氧化物半导体2的禁带宽度通过选择掺杂杂质种类和剂量而控制在3.1eV～4.0eV之间，对应的直接吸收本征光波波长在310～400nm之间，因此对可见光(400～760n m)有较好的透过性而对于波长小于400nm的紫外线有较高的吸收性。表1给出了依照本发明的厚度均为60nm的三种薄膜InZnO、GaInZnO、HfInZnO的透射率与照射光线波长之间的对应关系，也即透射谱，测试仪器是多谱段透射率测试仪：

[0027] 表1

[0028]

[0029] 由表1可见在大于400nm的谱线上三种材料的器件均有大于约80％的透过率，在小于400nm的谱线上有较强的吸收率，InZnO对应的最小吸收率在接近85％。

[0030] 图3给出了不同In含量下IZO的X射线衍射(XRD)的分析曲线，由图可见在In含量为55％～85％之间，薄膜在各个角度上都处在非晶态。具体地，在制造工艺的参数选择上，掺In的ZnO基半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％时表现为非晶态，其它二元氧化物在前述的一定工艺条件下也表现为非晶态。相比多晶、晶态与超晶格半导体，非晶态半导体表现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成大面积薄膜，并且在能带中缺陷较多、引入较多的局域能级，更有利于短波光波的吸收。

[0031] 现有技术的Si基紫外探测器中，非晶硅属于共价型非晶态半导体，载流子导电通过电子在能带带尾间的跳跃来实现，因而迁移率较低，器件性能不理想。依照本发明制造的10 0
非晶态氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体，一般具有这样的电子结构(n-1)d ns(n＞4)，其导带底主要由重金属元素的s轨道的未被占据态组成。s态电子云密度呈球对称分布且半径较大，相互交叠形成电子的导通路径因而非常有利于电子的传输，即便当材料处于非晶态时原子排布比较杂乱，但由于s态电子云本身是球对称形分布对方向的变化不敏感，电子依然拥有良好的输运路径，因而载流子较大，在最终的光电响应效率上有更好的结果。

[0032] 综上所述，依照本发明的MSM型紫外探测器由于采用了非晶态氧化物半导体而具有高效、低成本和大面积均匀的优点。

[0033] 尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构和制造方法做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

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