【正文】 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 n 圖 32 不同退火條件下單位電容測(cè)試結(jié)果 依次為紫外處理直接升溫 5 層，紫外處理直接升溫 3 層 ， 紫外處理逐漸升溫 3 層 由 Al2O3薄膜電容值隨頻率變化的曲線 可以看出，無(wú)論是在什么涂膜條件下 ，薄膜單位面積的電容值都隨測(cè)試頻率的增加而降低。 制備流程如圖 24 所示： 圖 24 第三章 高介電常數(shù)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及性能 我們分別對(duì)紫外處理和光波輻照的氧化鋁薄膜進(jìn)行了 SEM 和電學(xué)性能檢測(cè)。具體處理工藝見(jiàn)表 23， 24。若要涂多層， 再用同樣的方法，重復(fù)涂膜 4 次，得到涂了 五 層薄膜的硅片。因?yàn)橛H水性好的基底涂膜時(shí)，溶液容易鋪開，甩膜均勻，薄膜性能好。 25 min，目的是溶解硅片表面殘余物和丙酮。 。 表 22 儀器設(shè)備型號(hào)與生產(chǎn)廠家 儀器 型號(hào) 生產(chǎn)廠家 超聲清洗器 KQ318T 昆山市超聲儀器有限公司 臺(tái)式勻膠機(jī) KW4A 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 加熱磁力攪拌器 CMAG HS 7 鄭州南北儀器設(shè)備有限公司 電熱真空干燥箱 ZKXF 上海樹立儀器有限公司 紫外臭氧光清洗機(jī) UVCN 北京航天宏達(dá)光電技術(shù)有限公司 電子天平 FA20xx 上海精科天平 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 DNG9036 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司 高真空度物理氣相沉積統(tǒng) MS500B1 沈陽(yáng)科友真空技術(shù)有限公司 山東大學(xué)畢業(yè)論文 14 微波爐 G90F25CSLVⅢ C2 廣州格蘭仕微波生活電器制造有限公司 低壓汞燈光源 CELLPHT20166 北京中教金源科技有限公司 吉時(shí)利 2400 系列數(shù)字源表 KEITHLEY 2400 Keithley Instruments Inc Plus Precision LCR Meter 數(shù)字電橋 7600 Quad Tech 鐵電測(cè)試儀 Radiant Precision Premier II 型 原子力顯微鏡 (AFM) Dimension Icon Veeco Instruments Inc 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 JEOL JSM7600FSEM 日本電子株式會(huì)社 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 涂膜 實(shí)驗(yàn)流程 本課題將采用見(jiàn)圖 21 的實(shí)驗(yàn)流程制備 Al2O3 介電薄膜。所以 Al2O3 可以用作高密度電容的介質(zhì)材料。后來(lái)減慢升溫和降溫速率至 2 ℃ /s，退火前后電學(xué)性能幾乎沒(méi)有變化。 J. Kolodzey[18]制備了一層 AlN 薄膜，然后在干氧氣氛的水平石英管式爐中，以8001100 ℃ 氧化 13 h。程學(xué)瑞 [14]等采用脈沖激光沉積方法 (PLD) 在 Si(100)襯底上制備了 HfO 2 柵介質(zhì)薄膜，其中非晶態(tài)薄膜樣品的高頻介電常數(shù) ε∞和靜態(tài)介電常數(shù) ε0 只有 和 。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。能夠反映出反映在一定柵壓下器件開關(guān)性能的好壞。見(jiàn)圖 12，晶體管可以看成是一個(gè)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]。 場(chǎng)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。然而隨著器件尺寸的縮小，器件中的柵介質(zhì)層厚度也會(huì)成比例的減小，當(dāng)其厚度接近原子間距的時(shí)候，受量子隧穿效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的薄膜氧化層會(huì)有以下幾個(gè)問(wèn)題：（ 1）直接穿透漏電流的問(wèn)題；薄氧化層已不是一個(gè)良好 絕緣體，漏電流的機(jī)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(jí)數(shù)增加。 highK dielectric material。晶粒尺寸及晶界均會(huì)對(duì)薄膜介電常數(shù)及漏電流大小產(chǎn)生影響。因此，對(duì)于柵介質(zhì)材料的研究，具有非常重要的意義。 sol gel method。（ 2）通道電子漏失的問(wèn)題；太大的漏電流使得電子無(wú)法在通道中累積，降低元件電流的驅(qū)動(dòng)力。器件工作時(shí)，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。在柵介質(zhì)層兩側(cè)的源極和柵極之間施加電壓，會(huì)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(shí)，這些載流子在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生移動(dòng)，形成電流。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。表 11 中是一些 高介電常數(shù)材料性能簡(jiǎn)單介紹。隨著生長(zhǎng)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]。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(biāo)相媲美。 Wu Y. [21]了 La2O3 等效氧化物厚度 nm 在 1 V 時(shí)，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(xué)性能和可靠性。 基于以上分析，本實(shí)驗(yàn)選取 Al2O3 材料作為柵介質(zhì)層薄膜材料，通過(guò)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(cè)試其性能。 乙二醇甲醚 無(wú)水氯化鋁 磁力攪拌至均勻 過(guò)濾 冰乙酸 離心，白色膠體 混合溶解 干燥 旋涂 AFM、 SEM 測(cè)試 膜不均勻 冰乙酸緩慢加入無(wú)水氯化鋁中，防止反應(yīng)過(guò)于劇烈 山東大學(xué)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(shí)驗(yàn)采用無(wú)水氯化鋁與冰乙酸反應(yīng)生成的醋酸鋁為溶質(zhì)。 離心轉(zhuǎn)速3000r/min 離心時(shí)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(jìn)行涂膜。 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。 (3) 薄膜旋涂 涂膜之前要先對(duì)前驅(qū)體溶液進(jìn)行過(guò)濾，以免其中雜志過(guò)多，對(duì)薄膜生長(zhǎng)造成 影響。 旋涂薄膜的注意事項(xiàng)有： 山東大學(xué)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。 紫外照輻退火表 23 樣品編號(hào) 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(hào) 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(cè)試薄膜的電學(xué)性能時(shí)，必須給樣品鍍電極，本試驗(yàn)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(jiàn)圖 23。 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。 我們對(duì) 涂膜處理 條件下 氧化鋁 薄膜樣品進(jìn)行 漏電電學(xué)性能 測(cè)試 （ JV 曲線） ，其結(jié)果見(jiàn)圖 33。 其 SEM 形貌見(jiàn)圖 34。器件的制備及測(cè)試過(guò)程均在室溫下、空氣中進(jìn)行。 Al2O3 IGZO 硅基底 (柵極 ) Al Al 山東大學(xué)畢業(yè)論文 26 圖 38 光波處理氧化鋁晶體管 輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線 山東大學(xué)畢業(yè)論文 27 從圖 38 中可以明顯看出，當(dāng)源漏電壓較小時(shí)，器件工作在線性區(qū)；當(dāng)源漏電壓增加到接近柵極電壓后，源漏電流趨于恒定，器件工作在飽和區(qū)。平日里與老師探討學(xué)術(shù)問(wèn)題，交流實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，都讓我獲得了廣博的學(xué)科知識(shí)，收獲了寶貴的人生經(jīng)驗(yàn)，增長(zhǎng)了豐富的人生閱歷。 同時(shí)也要感謝無(wú)機(jī)所的各位老師在大學(xué)四年中對(duì)我的幫助和教導(dǎo)，老師們的治學(xué)態(tài)度將令我終身難忘，老師們的諄諄教誨必將指導(dǎo)我日后兢兢業(yè)業(yè)、勤勤懇懇地工作，我將時(shí)時(shí)刻刻銘記自己曾經(jīng)是一名山東大學(xué)無(wú)機(jī) 非金屬材料工程專業(yè)的學(xué)生。 表 31 光波處理氧化鋁晶體管 器件的電學(xué)性能 薄膜處理 單位面積電容 (nF/cm2 ) 載流子遷移率 (cm2/Vs) 開關(guān)比 閾值電壓 (V) 光波處理 140 104 第 四 章 結(jié)論 本論文主要研究了在低溫條件下通過(guò)溶膠 凝膠法制備的高 K 材料氧化鋁在不同退火（紫外照輻，光波處理）條件下薄膜的生長(zhǎng)情況和電學(xué)特性的差異以及在薄膜晶體管中的應(yīng)用 。通過(guò)測(cè)量不同柵壓下的 ISDVSD曲線，可獲得一組場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入輸出特性圖，同樣的道理，我們也可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的記錄．從場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入輸出特性特性曲線簇以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線可以得到我們想要得到的關(guān)鍵參量：遷移率、閾值電壓、開關(guān)比等。由于測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)是電容，需帶入下面公式換算得到所需的介電常數(shù)。 山東大學(xué)畢業(yè)論文 23 紫外照射持續(xù)升溫 3 層的氧化鋁薄膜在 3V 電壓下， 漏電流為 5107A/cm2。 硅片清洗 Al2O3 絕緣層 介電層制備 晶體管性能測(cè)試測(cè)試 鋁電極的真空蒸鍍 IGZO 的旋涂 山東大學(xué)畢業(yè)論文 19 圖 31 不同 涂膜 條件 下氧化鋁 薄膜 SEM 形貌 (a) 紫外處理直接升溫 5 層 ， (b) 紫外處理直接升溫 3 層 ， (c)紫外處理逐漸升溫 3 層 由上圖 可以看出，薄膜樣品 的 表面質(zhì)量都比較均勻平滑，表面形貌受熱處理?xiàng)l件的影響不明顯 ，無(wú)明顯缺陷， 都非常平整，成膜質(zhì)量較好。用旋涂法制備了有源層，用熱蒸發(fā)鍍膜法蒸鍍了頂電極 Al。 。具體參數(shù)如下：100℃， 2min。 DIwater 中超聲 5 min，目的是洗掉之前步驟中殘留在硅片上的氨水雙氧水。 2．用冰乙酸溶解氯化鋁粉末時(shí) ，溶劑加入速度要緩慢連續(xù)，可分次加入， 防止溶解放熱反應(yīng)過(guò)于劇烈，從而導(dǎo)致溶液溢出。配置了 2 種不同溶劑條件下的前驅(qū)體溶液。 主要研究?jī)?nèi)容 本課題的研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)部分： (1) 制備非晶復(fù)合氧化物柵介質(zhì)層，采用溶膠 凝膠法制 備 Al2O3 薄膜，通過(guò)對(duì)薄膜的不同低溫處理工藝，獲得性能優(yōu)異的非晶介電薄膜； (2) ） 以 Al2O3 薄膜為介電層 制備晶體管器件，研究其電學(xué)性能。 D. Park制得 [22]了以 Ta2O5 為柵介質(zhì)的 N 溝晶體管，同時(shí)制備了 nm 和 nm 厚的SiO2 柵介質(zhì)作對(duì)比。 AFM 測(cè)量顯示 ErAlO 薄膜擁有非常平整的表面形貌， RMS 低于 nm。 Al2O3 有較高的介電常數(shù)，其禁帶寬度很大 (和 Si 接近 ) 。 其中，金屬氧化物類的高介電常數(shù)材料主要包括 Al2O Ta 2O ZnO、 ZrOHfO CeO Y2O3 等，這些材料的介電常數(shù)介于 1080 之間，它們作為成熟的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 (DRAM) 的電容材料已經(jīng)得到了廣泛研究，甚至許多專用加工設(shè)備已在工業(yè)界問(wèn)世。 山東大學(xué)畢業(yè)論文 9 高介電常數(shù)材料研究進(jìn)展 高介電常數(shù)材料概述 MOS 晶體管的結(jié)構(gòu)主要有三部分：柵極材料，基底材料以及柵介