【正文】 eposition，簡稱 CVD) 以及溶膠凝膠法等。根據(jù)理化性質(zhì)大致分類，可知鐵電材料、金屬氧化物、氮化物是 3 類比較常用的高介電常數(shù)材料。 在傳統(tǒng)晶體管器件中，二氧化硅（介電常數(shù) ）以其在硅基上的優(yōu)越電學性能，一直以來都是柵介質(zhì)材料的最佳選擇。能夠反映出反映在一定柵壓下器件開關(guān)性能的好壞。 山東大學畢業(yè)論文 8 圖 12 場效應(yīng)晶體管工作原理示意圖 薄膜晶體管基本參數(shù) (1) 輸出與轉(zhuǎn)移特性曲線 制備好的晶體管器件能夠直接測試的是輸出特性曲線 (同一柵極偏壓下，源漏電流一源漏電壓曲線 )和轉(zhuǎn)移特性曲線 (同一源漏電壓下，源漏電流一柵極偏壓曲線 )，薄膜晶體管器件的性能參數(shù)都是由這兩條曲線計算得到。見圖 12，晶體管可以看成是一個由柵極和導(dǎo)電溝道之間的半導(dǎo)體層構(gòu)成的平板電容器 [3]。底柵頂接觸結(jié)構(gòu)器件中，平坦的柵介質(zhì)層表面有利于半導(dǎo)體晶粒的連續(xù)生長，而且位于半導(dǎo)體層中鄰近絕緣層界面的有源溝道能夠受到再生長的材料的保護，避免了雜質(zhì)進入導(dǎo)電溝道，也不存在再生長的源漏電極對有源層薄膜形貌的影響等問題。 場效應(yīng) 晶體管基本結(jié)構(gòu) FET 的基本組成結(jié)構(gòu)包括襯底、柵電極、半導(dǎo)體層、柵介質(zhì)層、源漏電極。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(yīng)晶體管研究中的一個重要方向 場效應(yīng) 晶體管概述 場效應(yīng) 晶體管 （圖 1）是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。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(yīng)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。 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(jié)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(dǎo)體技術(shù)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。 highK dielectric material。 操作電壓可降低至 3 V，場遷移率可達 cm2V1s1，開關(guān)比達到 104。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。山東大學畢業(yè)論文 1 畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 論文 (設(shè)計 ) 題目： 高 k 介電薄膜的制備以及薄膜晶體管中的應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體場效晶體管（ MOSFET）中的一個重要組成部分。因此，對于柵介質(zhì)材料的研究，具有非常重要的意義。滿足低操作電壓晶體管器件的使用要求。 sol gel method。因而晶體管的特征尺寸幾乎隨著摩爾定律的預(yù)測，快速地以每兩、三年一個世代的腳步持續(xù)縮小。（ 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。屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。器件工作時，向?qū)щ姕系雷⑷胼d流子的電極為源極、從導(dǎo)電溝道輸出載流子的電極為漏極，源漏極與半導(dǎo)體層接觸。更重要的是，我們還可以通過提高柵介質(zhì)層的表面質(zhì)量來改善與半導(dǎo)體層的界面特性，從而提高半導(dǎo)體薄膜生長質(zhì)量。在柵介質(zhì)層兩側(cè)的源極和柵極之間施加電壓，會誘導(dǎo)半導(dǎo)體層中的載流子聚集到半導(dǎo)體層與柵介質(zhì)層的界面處，再施加源漏極電壓時，這些載流子在電場的作用下會發(fā)生移動，形成電流。 (2) 載流子遷移率 晶體管 的載流子遷移率 μ 又叫場效應(yīng)遷移率，是指單位電場下電荷載流子的平均移動速度，它反映在不同電場下空穴或電子在半導(dǎo)體中的遷移的 能力，是表征 晶體管 器件非常重要的參數(shù)，單位為 cm2V1s1。開關(guān)比越高，所反映出器件開關(guān)性能器件的穩(wěn)定性和抗干擾能力越好。隨著晶體管期間小型化的發(fā)展，柵介質(zhì)二氧化硅的厚度也在相應(yīng)減小，導(dǎo)致形成大的漏電流。表 11 中是一些 高介電常數(shù)材料性能簡單介紹。 一些常用的高介電常數(shù)材料 Ⅳ B 族元素 (Ti、 Zr、 Hf) 氧化物 Ti、 Zr、 Hf 等 Ⅳ B 族元素的氧化物和硅化物常作為柵介質(zhì)材料進行制備，下面對其進行簡單的介紹： ZrO2 薄膜以其寬禁帶 ( V) ， Si/ZrO2 界面勢壘高度為 2eV，能在 Si 上穩(wěn)定，能被氫氟酸腐蝕和較高的介電常數(shù) (1530) 等優(yōu)異性能得到廣泛研究[911]。隨著生長溫度升高薄膜晶化，介電常數(shù)增大，退火前后的薄膜高頻介電常數(shù) ε∞分別為 和 ，靜態(tài)介電常數(shù) ε0 分別為 和 [15]。 E. P. Gusev[16]發(fā) 現(xiàn) Al2O3/Si界面較直，沒有發(fā)現(xiàn) SiOx界面態(tài)密度小的情況。根據(jù) CV 特性曲線，最好樣品的純凈氧化物的陷阱電荷密度低于 1011 cm2，可以和傳統(tǒng) SiO2 器件性能指標相媲美。 Ⅲ B 族元素 (Y、 La)氧化物 Ⅲ B 族金屬氧化物主要包括 Y2O3 和鑭系的 La2O3 等。 Wu Y. [21]了 La2O3 等效氧化物厚度 nm 在 1 V 時，漏電流密度為 A/cm2，界面態(tài)密度為 1010 eV1/cm2，在柵偏壓為 2 V 下，其壽命大于 10 年，表現(xiàn)出良好的電學性能和可靠性。 山東大學畢業(yè)論文 12 本課題的提出 氧化鋁薄膜性能優(yōu)異 ,具有較高的介電常數(shù)、高熱導(dǎo)率、抗輻照能力強、抗 堿離子滲透能力強以及在很寬的波長范圍內(nèi)透明等性能 .因此 ,氧化鋁薄膜廣泛地 應(yīng)用于微電子器件、電致發(fā)光器件、光波導(dǎo)器件以及抗腐蝕涂層等眾多領(lǐng)域。 基于以上分析，本實驗選取 Al2O3 材料作為柵介質(zhì)層薄膜材料，通過控制前驅(qū)體濃度、涂膜 工藝、熱處理工藝等，制備出非晶態(tài)氧化鋁薄膜，并測試其性能。 表 21 實驗材料、化學式、純度及廠家 名稱 化學式 純度 生產(chǎn)廠家 硝酸鋁 Al(NO3)3 乙二醇甲醚 無水氯化鋁 磁力攪拌至均勻 過濾 冰乙酸 離心，白色膠體 混合溶解 干燥 旋涂 AFM、 SEM 測試 膜不均勻 冰乙酸緩慢加入無水氯化鋁中，防止反應(yīng)過于劇烈 山東大學畢業(yè)論文 15 圖 21 氧化鋁薄膜制備流程圖 Al2O3 薄膜制備 (1) 前驅(qū)體溶液配制 本實驗采用無水氯化鋁與冰乙酸反應(yīng)生成的醋酸鋁為溶質(zhì)。 5ml 冰乙酸，緩慢加入無水氯化鋁中。 離心轉(zhuǎn)速3000r/min 離心時間 4min 5ml 乙二醇甲醚，溶解醋酸鋁并攪拌，常溫下攪拌 12h 至混合均勻，得 到初期前驅(qū)體溶液，靜置 12h 陳化后可進行涂膜。 4． 加熱攪拌后應(yīng)先降溫并繼續(xù)攪拌，降至常溫后再進行離心處理。 DIwater 中超聲 10 min，目的是溶解硅片表面部分重金屬離子和殘余的乙醇。 15 min，目的是用紫外線對硅片表面進行清洗，徹底除去基地表面物。 (3) 薄膜旋涂 涂膜之前要先對前驅(qū)體溶液進行過濾，以免其中雜志過多，對薄膜生長造成 影響。140℃， 2min。 旋涂薄膜的注意事項有： 山東大學畢業(yè)論文 17 ，由于所配制溶液親水性很好，很容易鋪展，因此可以不設(shè)置。 (4) 薄膜的熱處理 對干燥好的薄膜進行熱處理工藝，是為了是薄膜更為致密，穩(wěn)定性更好，獲得優(yōu)異的電學性能。 紫外照輻退火表 23 樣品編號 溶劑 前驅(qū)體濃度 涂膜層數(shù) 退火條件 1 乙腈，乙二醇 ℃，紫外照射 2 乙腈，乙二醇 ℃，紫外照射 3 乙腈，乙二醇 ，紫外處理 光波處理退火表 24 樣品編號 溶劑 前驅(qū)體濃度 涂膜層數(shù) 退火條件 5 乙腈，乙二醇 ℃，光波處理 (5) 鍍電極 在測試薄膜的電學性能時，必須給樣品鍍電極，本試驗采用濺射法鍍金電極，制備出金屬 薄膜 金屬 (metalfilmmetal， MIM) 結(jié)構(gòu)，見圖 23。同樣借助石 英晶 振片實時監(jiān)測薄膜的厚度。 紫外輻照處理的氧化鋁薄膜 我們分別制備了在不同退火條件（紫外照輻，光波處理）下處理旋涂完成的氧化鋁薄膜。見下圖 32。 我們對 涂膜處理 條件下 氧化鋁 薄膜樣品進行 漏電電學性能 測試 （ JV 曲線） ，其結(jié)果見圖 33。紫外照射恒溫 5 層的氧化鋁薄膜在 3V 電壓下， 漏電流為 3106A/cm2。 其 SEM 形貌見圖 34。 其中ε r 為材料的相對介電常數(shù)；ε 0 為真空介電常數(shù)，其值為 1012F/m； d 為薄膜厚度，本實驗中一層膜的厚度約為 20nm； 如圖 35 所示： 山東大學畢業(yè)論文 24 100 1000 10000 100000 Al2O3C/(nF/cm2)頻 率 /HzO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o n O r i g i n P r o 8 E v a l u a t i o nO r i g i n P r o 8 E v a l u a t