【正文】 山東大學畢業(yè)論文 1 畢業(yè)論文 (設計 ) 論文 (設計 ) 題目： 高 k 介電薄膜的制備以及薄膜晶體管中的應用研究 The fabrication of highk dielectrics film and its application on thin film transistors 學 生 姓 名 周廣杰 學 院 材料科學與工程 專 業(yè) 無機非金屬材料工程 年 級 20xx 級 指導教師姓名 王素梅 副教授 20xx 年 6 月 10 日 山東大學畢業(yè)論文 2 摘 要 柵介質(zhì)材料是金屬 氧化層 半導體場效晶體管（ MOSFET）中的一個重要組成部分。近年來，隨著晶體管器件精細化、小型化的高速發(fā)展，高 K 材料的提出和開發(fā)成為了新的研究熱點。但是用于 MOSFET 中的柵介質(zhì)材料，除了要求高的介電常數(shù)外，對柵介質(zhì)薄膜界面的質(zhì)量要求非常高。晶粒尺寸及晶界均會對薄膜介電常數(shù)及漏電流大小產(chǎn)生影響。因此，對于柵介質(zhì)材料的研究，具有非常重要的意義。 本文 選取了 Al2O3 作為柵介質(zhì)材料，利用溶膠 凝膠法制備了非晶態(tài) Al2O3 薄膜材料，研究了不同熱處理條件（紫外光退火，光波退火等）工藝 對薄膜微觀結構及介電、漏電性能的影響。以氧化鋁薄膜為介電層，摻雜銦稼的氧化鋅為半導體層制備了低操作電壓薄膜晶體管。 操作電壓可降低至 3 V，場遷移率可達 cm2V1s1，開關比達到 104。滿足低操作電壓晶體管器件的使用要求。 關鍵詞： 薄膜晶體管；高 K 介電材料；溶膠 凝膠法； Al2O3 薄膜 山東大學畢業(yè)論文 3 Abstract Gate dielectric material is an important ponent in metaloxide semiconductor fieldeffect transistor (MOSFET). In recent years, with the rapid development of transistor devices towards elaboration and miniaturization, the proposition and development of highK materials has bee a new research hotspot. But for the gate dielectric material used in MOSFET, in addition to the requirement of high dielectric constant, the quality of the gate dielectric film interface is also required to be very high. Both grain size and grain boundaries have an impact on the dielectric constant and leakage current of the thin films. Therefore,it has very important significance for the study of gate dielectric material. In this work, Al2O3 was selected as the gate dielectric materials and the method preparing amorphous Al2O3 is solgel, has research that effect of different heat treatment conditions (UV annealing, Lightwave annealing) on the microstructure and dielectric film leakage operating voltage thin film transistor is prepared with Alumina film as a dielectric layer and IGZO as a semiconductor operation voltage fell to 3V and the field effect mobility can reach with the on/off current ratio of 104 ,which can meet the requirements of low operating voltage transistors. Key words： dielectric layer。 thin film transistor。 highK dielectric material。 sol gel method。 Al2O3 film 山東大學畢業(yè)論文 4 目 錄 第一章 緒論 .......................................................................................................... 5 研究背景 ................................................................................................... 5 場效應 晶體管概述 .................................................................................. 9 高介電常數(shù)材料研究進展 ...................................................................... 9 高介電常數(shù)材料概述 ................................................................... 9 一些常用的高介電常數(shù)材料 ..................................................... 10 高介電常數(shù)材料在晶體管中的應用 ...........錯誤 !未定義書簽。 本課題的提 出 ........................................................................................ 12 主要研究內(nèi)容 ........................................................................................ 12 第二章實驗過程與方法 ..................................................................................... 13 實驗原料 ................................................................................................ 13 儀器設備 ................................................................................................ 13 實驗過程 ................................................................................................ 14 實驗流程 ..................................................................................... 14 Al2O3 薄膜制備 ........................................................................... 15 薄膜晶體管的制備 ..................................................................... 18 第三章高介電常數(shù)薄膜的微觀結構及性能 ..................................................... 18 紫外輻照處理的氧化鋁薄膜 ..................................錯誤 !未定義書簽。 光波處理的氧化鋁薄膜 ....................................................................... 23 光波處理的氧化鋁薄膜作為介電層的薄膜晶體管 ........................... 23 第四章結論 .......................................................................................................... 25 致謝 ...................................................................................................................... 28 參考文獻 .............................................................................................................. 29 山東大學畢業(yè)論文 5 第一章 緒論 研究背景 快速、高密度兩項要求一直是半導體技術發(fā)展 的驅(qū)動力，目的是除了可以降低成本外，最重要的還是滿足消費者的需求。因而晶體管的特征尺寸幾乎隨著摩爾定律的預測，快速地以每兩、三年一個世代的腳步持續(xù)縮小。隨著微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的電子器件已經(jīng)遠遠不能滿足大規(guī)模集成電路的要求。 縱觀微電子技術發(fā)展史可以看出 ,電子器件的小型化及高速化是該領域飛速發(fā)展的主要驅(qū)動力。然而隨著器件尺寸的縮小，器件中的柵介質(zhì)層厚度也會成比例的減小，當其厚度接近原子間距的時候，受量子隧穿效應的影響，傳統(tǒng)的薄膜氧化層會有以下幾個問題：（ 1）直接穿透漏電流的問題；薄氧化層已不是一個良好 絕緣體，漏電流的機制將由 FN tunneling 轉(zhuǎn)變?yōu)?Direct tunneling，使的漏電流的大小隨厚度減少呈現(xiàn)級數(shù)增加。（ 2）通道電子漏失的問題；太大的漏電流使得電子無法在通道中累積，降低元件電流的驅(qū)動力。（ 3）載子遷移率下降的問題；氧化層厚度的減少使得垂直于通道的電場快速增加，因此表面散射的效應增強，導致通道中的載子遷移率下降。 在柵介質(zhì)層厚度不變的情況下，采用具有較高介電常數(shù)的材料，可以大幅度 降低晶體管中的電場強度以及減小漏電流所帶來的影響 。因此，采用高介電常 數(shù)材料薄膜作為柵介質(zhì)層材 料已經(jīng)成為場效應晶體管研究中的一個重要方向 場效應 晶體管概述 場效應 晶體管 （圖 1）是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。屬于電壓控制型半導體器件。 山東大學畢業(yè)論文 6 圖 11 場效應管 其具有如下特點： （ 1）場效應管是電壓控制器件，它通過 VGS(柵源電壓 )來控