技术领域
[0001] 本
发明涉及一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管及其制备方法，属于
半导体材料与器件技术领域。
背景技术
[0002] 肖特基势垒二极管(SBD)是一种利用金属与半导体之间接触势垒进行工作的半导体器件，在功率
电路、高频电路等领域有着广泛而重要的应用。与普通的
PN结二极管相比，它具有正向导通
电压低，响应速度快等优点。研究发现，SBD在高频整流、
开关电路和保护电路中作为整流和续流元件，可以大幅度降低功耗，提高电路效率和使用
频率，减少电路噪声。因此，随着电
力电子技术的快速发展，SBD的高频、低功耗等优良性能将为其赢得广阔的发展前景。
[0003] 与微电子领域常用的传统
硅材料相比，多元金属氧化物非晶半导体材料具有高迁移率、低成本、工艺简单、透明、可柔性等优点，在集成电路特别是柔性透明电路中有着重要的应用前景。近年来，基于铟镓锌氧化物(IGZO)的SBD[X.Zhou,L.Lu,K.Wang,M.Wong,J.K.Sin,and H.S.Kwok,Low-Temperature-Processed Power Schottky Diode Based on Amorphous Indium-Tin-Zinc-Oxide/Indium-Gallium-Zinc-Oxide Bilayer,IEEE Transactions on Electron Devices,66,4759-4763,2019.]已经被报道了出来并成为IGZO材料的又一个研究热点。但是，随着对IGZO研究的进一步深入，人们发现IGZO存在较多无法克服的
缺陷。一方面，由于Ga-O键的结合能较低(374kJ/mol)，无法对IGZO
薄膜中的载流子浓度实现有效调控，进而容易引起IGZO SBD反向漏
电流的增加以及整流性能的恶化。另一方面，IGZO的带隙(～3.2eV)以及带隙调制范围(～2.9-4.9eV)都比较小，这会严重影响IGZO SBD器件性能在光照特别是紫外光照射下的
稳定性。此外，Ga元素的大量应用也会提高器件的制备成本。因此，我们非常有必要寻找一种可以取代IGZO的以及更适合应用到SBD中的多元金属氧化物半导体材料。
[0004] 铟铝锌氧化物(IAZO)是一种由In2O3、Al2O3和ZnO三种材料形成的
合金材料，其禁带宽度很宽并且可以在～2.9-8.7eV之间变化[W.Xu,M.Xu,J.Jiang,C.Luan,L.Han,and X.Feng,High performance thin film transistors with sputtered In-Al-Zn-O channel and different source/drain electrodes,IEEE Electron Device Letters,40,247-250,2019.]。同时，Al-O键有着高达502kJ/mol的结合能，并且金属元素Al储量丰富、价格低。因此，IAZO材料可以有效克服IGZO的上述缺点。尽管目前人们已经对IAZO薄膜以及IAZO
薄膜晶体管(TFT)进行了一定的研究，但是，迄今为止还没有任何研究团队使用IAZO来制备SBD的相关报道。另外，虽然有少量文章已经报道过基于IGZO的SBD，但是考虑到其未来可能在柔性透明集成电路中的应用，IAZO是一种比IGZO更适合用来制备SBD的半导体材料。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管，该二极管结构制作成本低，且具有较高的电学性能，在未来的集成电路中具备了广阔的应用前景。
[0006] 本发明还提供一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的制备方法。
[0007] 术语解释：
[0008] 1、射频磁控
溅射法，是指在
磁控溅射的
基础上，采用射频电源作电源的溅射方法。
[0009] 2、UV-ozone，紫外臭氧清洗仪。
[0010] 本发明的技术方案为：
[0011] 一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管，包括由下到上依次设置的SiO2/P+-Si衬底、第一层金属
电极Ti、金属电极Pd、IAZO薄膜、第二层金属电极Ti和金属电极Au；IAZO薄膜作为半导体层，IAZO薄膜与所述金属电极Pd之间为肖特基接触，IAZO薄膜与第二层金属电极Ti之间为
欧姆接触。
[0012] 该二极管结构中，IAZO具有很宽的禁带宽度以及广阔的带隙调制范围，有利于确保IAZO SBD器件性能的光照稳定性。金属电极Pd是整个IAZO SBD的
阳极，Pd的
功函数较高，能够与IAZO薄膜之间形成较高的势垒，当IAZO SBD反向关闭时，较高的势垒可以阻挡载流子的通过，从而实现整流作用。第二层金属电极Ti是整个IAZO SBD的
阴极，Ti的功函数较低，能够与IAZO薄膜之间形成良好的欧姆接触，减小接触
电阻，进而获得优异的整流特性；当IAZO SBD正向开启时，有利于载流子的正常导通，提高二极管的开态电流和整流特性。第一层金属电极Ti与衬底之间具有较强的粘附性，有利于减小阳极金属电极Pd在后处理过程中脱落的几率，从而获得高
质量的阳极。金属电极Au的目的是保护阴极第二层金属电极Ti，减少测试探针对器件的损伤，并且减少电极区域的功耗，有利于获得较好的器件性能。
[0013] 根据本发明优选的，所述IAZO薄膜的厚度为50-150nm；优选的，所述IAZO薄膜的厚度为100nm。合适的IAZO薄膜厚度，有利于调控薄膜内载流子浓度并获得缺陷较少的、高质量的界面，进而形成较高的肖特基势垒和较小的理想因子，从而有利于提高器件整体的电学性能。
[0014] 根据本发明优选的，所述金属电极Pd的厚度为30-100nm；优选的，所述金属电极Pd的厚度为50nm。合适的金属电极Pd的厚度，有利于与IAZO薄膜之间形成缺陷较少的、高质量的界面，同时减小电极区域的功耗，从而提高器件电学性能。
[0015] 根据本发明优选的，所述金属电极Pd的面积为8×10-4-10×10-4cm2，形状为圆形；
[0016] 优选的，所述金属电极Pd的面积为9.5×10-4cm2。
[0017] 合适的金属电极Pd的尺寸，有利于减小界面缺陷对器件性能的干扰，并且能够减少电极功耗，获得较好的开态电流。
[0018] 根据本发明优选的，所述第二层金属电极Ti的厚度为30-100nm；优选的，所述第二层金属电极Ti的厚度为50nm。合适的电极厚度，有利于与IAZO形成良好的接触界面，同时减少电极区域的功耗，获得良好的器件性能。
[0019] 根据本发明优选的，所述第一层金属电极Ti的厚度为1-20nm；优选的，所述第一层金属电极Ti的厚度为10nm。金属Ti与衬底之间具有较强的粘附性，合适的电极厚度，有利于减小阳极金属Pd在后处理过程中脱落的几率，从而获得高质量的阳极。
[0020] 根据本发明优选的，所述金属电极Au的厚度为5-30nm；优选的，所述金属电极Au的厚度为20nm。合适的金属电极厚度，有利于减少测试探针对器件的损伤，并且减少电极区域的功耗。
[0021] 上述底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的制备方法，包括步骤如下：
[0022] (1)在所述SiO2/P+-Si衬底的表面生长第一层金属电极Ti；
[0023] (2)在所述第一层金属电极Ti上生长所述金属电极Pd，Pd做阳极；
[0024] (3)所述金属电极Pd生长完成后，放置于UV-ozone中处理；
[0025] (4)在步骤(3)处理后的金属电极Pd上生长IAZO薄膜；
[0026] (5)在所述IAZO薄膜上生长所述第二层金属电极Ti，Ti做阴极；
[0027] (6)在所述第二层金属电极Ti上生长金属电极Au；
[0028] (7)将步骤(6)生长完成后的器件放置在加热板(Hotplate)上进行
退火处理，即得。
[0029] 本发明中，通过采用不同溅射条件制备IAZO薄膜，对金属电极Pd在UV-ozone中进行处理，以及对制备好的器件进行退火，在低温环境中成功地制备出高性能的IAZO SBD。
[0030] 根据本发明优选的，步骤(3)中，所述金属电极Pd在UV-ozone中处理的时间为0-60分钟；优选的，在UV-ozone处理的时间为30分钟。
[0031] UV-ozone是一种同时包含紫外光照和臭氧处理的低温处理方法，合适的UV-ozone处理时间，有利于提高阳极的功函数，从而提高肖特基势垒以及减小IAZO SBD的反向
漏电流；同时有利于去除金属Pd表面的残留物，提高阳极与IAZO薄膜之间的界面质量。
[0032] 根据本发明优选的，步骤(7)中，退火处理的
温度为100-250℃，退火处理的时间为5-60分钟；优选的，退火处理的温度为200℃，退火处理的时间为20分钟。
[0033] 合适的退火温度和退火时间，可以在保证较高的开态电流的前提下，极大地降低反向漏电流，从而提高SBD器件的整流特性。
[0034] 根据本发明优选的，步骤(4)中，使用射频磁控溅射法在金属电极Pd的表面生长IAZO薄膜，包括步骤如下：
[0035] A、打开射频磁控溅射腔室
门，放入步骤(3)处理后的金属电极Pd、IAZO陶瓷靶，关闭腔室门；
[0036] B、抽
真空，直到腔室内真空度低于1×10-5Torr；
[0037] C、往腔室内通入氧气浓度为0.75％-5％的Ar/O2混合气体，1-2分钟后停止充气，此操作重复2-4次；
[0038] D、设置溅射功率为40-150W，通入氧气浓度为0.75％-5％的Ar/O2混合气体，调节气体流速至13-25SCCM，保持腔内工作气压为3.50-4.00mTorr，衬底温度为20-25℃；
[0039] E、溅射50-200分钟；
[0040] 进一步优选的，
[0041] 所述步骤D中，设置溅射功率为70W，通入氧气浓度为2.5％的Ar/O2混合气体，调节气体流速至20SCCM，保持腔内工作气压为3.75mTorr，衬底温度为22℃；
[0042] 所述步骤E中，溅射84分钟。
[0043] 采用射频磁控溅射法的制备工艺，可以制备与靶材组分相近、致密、均一性良好的半导体薄膜材料，有利于IAZO SBD的低温制备；合适的生长条件有利于获得表面平整、性能优良的IAZO薄膜。
[0044] 选择合适的IAZO薄膜生长条件，一方面可以有效调控IAZO薄膜中的载流子浓度，在保证较高开态电流的同时，极大地降低反向漏电流，从而实现较好的整流特性。另一方面可以减少界面缺陷，提高界面质量，从而形成较高的肖特基势垒和较小的理想因子。
[0045] 根据本发明优选的，步骤(1)中，使用
电子束蒸发在所述SiO2/P+-Si衬底的表面生长第一层金属电极Ti，
[0046] 步骤(2)中，使用
电子束蒸发在所述第一层金属电极Ti的表面生长金属电极Pd。
[0047] 根据本发明优选的，步骤(1)中，所述SiO2/P+-Si衬底表面使用前已
抛光；抛光的SiO2/P+-Si衬底有利于保证生长的每一层薄膜都具有较高的平整度。
[0048] 所述SiO2/P+-Si衬底抛光后，依次使用迪康(Decon)
清洗剂、去离子
水、丙
酮或异丙醇、
乙醇对所述衬底进行清洗，再使用氮气吹干。SiO2/P+-Si衬底抛光后的清洗能有效提高衬底表面的清洁度，以利于提高薄膜的平整度，减小界面缺陷，提升IAZO SBD的性能。
[0049] 本发明的有益效果为：
[0050] 1.本发明首次将IAZO薄膜应用到底部为肖特基接触的SBD中，IAZO具有很宽的禁带宽度以及广阔的带隙调制范围，有利于确保IAZO SBD器件性能的光照稳定性。
[0051] 2.IAZO薄膜材料中Al-O键具有高达502kJ/mol的结合能，有利于对IAZO薄膜中的载流子浓度进行有效调控以及提高SBD的器件性能。
[0052] 3.IAZO中Al元素的大量使用，也有利于降低IAZO SBD器件的生产成本。
[0053] 4.本发明通过探索和优化IAZO薄膜的溅射条件，阳极金属Pd的UV-ozone处理时间，以及退火温度和退火时间，在低温环境中成功地制备出高性能的底肖特基接触型IAZO SBD，IAZO SBD的制备过程简单，适合大面积工业化生产。
[0054] 5.本发明提供的底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的制备方法是在低温环境中完成的，实验重复性强。
[0055] 6.本发明制得的IAZO SBD表现出了极高的电学性能，同时具有低的理想因子(1.27)、高的整流比(4.79×106)、低的
串联电阻(279.4mΩ·cm2)、高的J-V曲线势垒高度(0.86eV)、低的背景掺杂浓度(2.13×1016cm-3)、低的界面态
密度(3.81×1010eV-1cm-2)和高的
击穿电压(-9.46V)。这些优秀的性能参数使得本方法制备的底部为肖特基接触的高性能IAZO SBD具备了广阔的应用前景，为其未来在集成电路中的应用奠定了基础。
附图说明
[0056] 图1为
实施例1提供的一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的截面结构示意图；
[0057] 图2为实施例1提供的一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的J-V曲线；
[0058] 图3为实施例1提供的一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的A2/C2-V曲线。
[0059] 1、SiO2/P+-Si衬底，2、第一层金属电极Ti，3、金属电极Pd，4、IAZO薄膜，5、第二层金属电极Ti，6、金属电极Au。
具体实施方式
[0060] 下面结合实施例和
说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0061] 实施例1
[0062] 一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管，如图1所示，包括由下到上依次设置的SiO2/P+-Si衬底1、第一层金属电极Ti2、金属电极Pd3、IAZO薄膜4、第二层金属电极Ti5和金属电极Au6；IAZO薄膜4作为半导体层，IAZO薄膜4与金属电极Pd3之间为肖特基接触，IAZO薄膜4与第二层金属电极Ti5之间为欧姆接触。
[0063] 该二极管结构中，IAZO具有很宽的禁带宽度以及广阔的带隙调制范围，有利于确保IAZO SBD器件性能的光照稳定性。金属电极Pd3是整个IAZO SBD的阳极，Pd的功函数较高，能够与IAZO薄膜4之间形成较高的势垒，当IAZO SBD反向关闭时，较高的势垒可以阻挡载流子的通过，从而实现整流作用。第二层金属电极Ti5是整个IAZO SBD的阴极，Ti的功函数较低，能够与IAZO薄膜4之间形成良好的欧姆接触，减小接触电阻，进而获得优异的整流特性；当IAZO SBD正向开启时，有利于载流子的正常导通，提高二极管的开态电流和整流特性。第一层金属电极Ti2与衬底之间具有较强的粘附性，有利于减小阳极金属电极Pd3在后处理过程中脱落的几率，从而获得高质量的阳极。金属电极Au6的目的是保护阴极第二层金属电极Ti5，减少测试探针对器件的损伤，并且减少电极区域的功耗，有利于获得较好的器件性能。
[0064] IAZO薄膜4的厚度为100nm。合适的IAZO薄膜4厚度，有利于调控薄膜内载流子浓度并获得缺陷较少的、高质量的界面，进而形成较高的肖特基势垒和较小的理想因子，从而有利于提高器件整体的电学性能。
[0065] 金属电极Pd3的厚度为50nm。合适的金属电极Pd3的厚度，有利于与IAZO薄膜4之间形成缺陷较少的、高质量的界面，同时减小电极区域的功耗，从而提高器件电学性能。
[0066] 金属电极Pd3的面积为9.5×10-4cm2，形状为圆形。合适的金属电极Pd3的尺寸，有利于减小界面缺陷对器件性能的干扰，并且能够减少电极功耗，获得较好的开态电流。
[0067] 第二层金属电极Ti5的厚度为50nm。合适的电极厚度，有利于与IAZO形成良好的接触界面，同时减少电极区域的功耗，获得良好的器件性能。
[0068] 第一层金属电极Ti2的厚度为10nm。第一层金属电极Ti2与衬底之间具有较强的粘附性，合适的电极厚度，有利于减小阳极金属Pd在后处理过程中脱落的几率，从而获得高质量的阳极。
[0069] 金属电极Au6的厚度为20nm。合适的金属电极厚度，有利于减少测试探针对器件的损伤，并且减少电极区域的功耗。
[0070] 实施例2
[0071] 实施例1提供的一种底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的制备方法，包括步骤如下：
[0072] (1)使用电子束蒸发在SiO2/P+-Si衬底1的表面生长第一层金属电极Ti2；
[0073] SiO2/P+-Si衬底1表面使用前已抛光。抛光的SiO2/P+-Si衬底1有利于保证生长的+每一层薄膜都具有较高的平整度。SiO2/P-Si衬底1抛光后，依次使用迪康(Decon)清洗剂、去离子水、丙酮或异丙醇、乙醇对衬底进行清洗，再使用氮气吹干。SiO2/P+-Si衬底1抛光后的清洗能有效提高衬底表面的清洁度，有利于提高薄膜的平整度，减小界面缺陷，提升IAZO SBD的性能。
[0074] (2)使用电子束蒸发在第一层金属电极Ti2的表面生长金属电极Pd3，Pd做阳极；
[0075] (3)金属电极Pd3生长完成后，放置于UV-ozone中处理；UV-ozone处理的时间为30分钟。
[0076] UV-ozone是一种同时包含紫外光照和臭氧处理的低温处理方法。UV-ozone的型号ProCleanerTM 220。合适的UV-ozone处理时间，有利于提高阳极的功函数，从而提高肖特基势垒以及减小IAZO SBD的反向漏电流；同时有利于去除金属Pd表面的残留物，提高阳极与IAZO薄膜4之间的界面质量。
[0077] (4)在步骤(3)处理后的金属电极Pd3上使用射频磁控溅射法生长IAZO薄膜4，包括步骤如下：
[0078] A、打开射频磁控溅射腔室门，放入步骤(3)处理后的金属电极Pd3、IAZO陶瓷靶，关闭腔室门；
[0079] B、抽真空，直到腔室内真空度低于1×10-5Torr；
[0080] C、往腔室内通入氧气浓度为0.75％-5％的Ar/O2混合气体，1-2分钟后停止充气，此操作重复2-4次；
[0081] D、设置溅射功率为70W，通入氧气浓度为2.5％的Ar/O2混合气体，调节气体流速至20SCCM，保持腔内工作气压为3.75mTorr，衬底温度为22℃；
[0082] E、溅射84分钟。
[0083] 采用射频磁控溅射法的制备工艺，可以制备与靶材组分相近、致密、均一性良好的半导体薄膜材料，有利于IAZO SBD的低温制备；合适的生长条件有利于获得表面平整、性能优良的IAZO薄膜4。
[0084] 选择合适的IAZO薄膜4生长条件，一方面可以有效调控IAZO薄膜4中的载流子浓度，在保证较高开态电流的同时，极大地降低反向漏电流，从而实现较好的整流特性。另一方面可以减少界面缺陷，提高界面质量，从而形成较高的肖特基势垒和较小的理想因子。
[0085] (5)在IAZO薄膜4上生长第二层金属电极Ti5，Ti做阴极；
[0086] (6)在第二层金属电极Ti5上生长金属电极Au6；
[0087] (7)将步骤(6)生长完成后的器件放置在Hotplate上进行退火处理，退火处理的温度为200℃，退火处理的时间为20分钟，即得。合适的退火温度和退火时间，可以在保证较高的开态电流的前提下，极大地降低反向漏电流，从而提高SBD器件的整流特性。
[0088] 本发明中，通过采用不同溅射条件的IAZO薄膜4，对阳极金属Pd进行不同时间的UV-ozone处理，以及不同的退火温度和退火时间，在低温环境中成功地制备出高性能的IAZO SBD。
[0089] 对制备的底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管进行性能测试，J-V曲线特性测试如图2所示，其中，纵坐标为电流密度的绝对值(J)，横坐标为电压，电压的变化范围是-1～1V；图2表明：所制备的底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管具有良好的整流特性，当电压为-1V和1V时的J分别为2.08×10-7Acm-2和1.00Acm-2。
[0090] C-V曲线特性测试如图3所示，其中，纵坐标为单位电容的倒数(A2/C2)，横坐标为电压，电压的变化范围是-1～1V，频率(f)为1MHz。图3表明：底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管具有较大的A2/C2数值，这意味着器件具有较少的界面缺陷。
[0091] 底部为肖特基接触的铟铝锌氧化物二极管的电学性能如表1所示：
[0092] 表1
[0093]性能名称 参数大小
理想因子 1.27
6
整流比 4.79×10
串联电阻 279.4mΩ·cm2
J-V曲线势垒高度 0.86eV
背景掺杂浓度 2.13×1016cm-3
10 -1 -2
界面态密度 3.81×10 eV cm
击穿电压 -9.46V
[0094] 如表1所示，IAZO SBD表现出优异的的电学性能，具有低的理想因子(1.27)、高的整流比(4.79×106)、低的串联电阻(279.4mΩ·cm2)、高的J-V曲线势垒高度(0.86eV)、低的16 -3 10 -1 -2
背景掺杂浓度(2.13×10 cm )、低的界面态密度(3.81×10 eV cm )和高的击穿电压(-
9.46V)。
