【正文】 樣品的單位面積電容可達(dá) nF/cm2，漏電流約為 106A/cm2 ，可以滿足薄膜晶體管介電材料的使用要求。 6 4 2 0 2 4 61E81E71E6 Al2O3J(A/cm2)V(v )O 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 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 36 光波恒溫處理 光波恒溫處理的氧化鋁薄膜在 3V 電壓下，漏電流為 7107A/cm2。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)。 本實(shí)驗(yàn)采用低溫退火工藝，直接將薄膜放在恒溫干燥箱中進(jìn)行退火處理。 。溶解完全后，加熱 80℃并攪拌 10min 至反應(yīng)均勻。同時(shí)氧化鋁是高 K 材料，相對(duì)介電常數(shù)是 9，幾乎是二氧化硅 /氮化硅 /二氧化硅(ONO)介質(zhì)的 2 倍，擊穿強(qiáng)度可達(dá) 1V/nm 以上，并且高帶隙 ()、高勢(shì)壘導(dǎo)致其隧穿電流小。 Chin A 等 [17]制備了 teq (等效厚度 ) = nm的 Al2O3 柵極MOSFET，測(cè)試結(jié)果表明它的漏電流較小 。為了解決柵極漏電流的問題，人們開始探索具有高介電常數(shù)的材料作為新的柵介質(zhì)材料，如 SrTiO HfOZrO2 和 Al2O3 等。 場(chǎng)效 應(yīng)晶體管工作原理 薄膜場(chǎng)效應(yīng) 晶體管在線性區(qū)和飽和區(qū)的溝道電流公式為： DSDSTGiDS VVVVCLWI ??????? ??? 2? (11) 飽和區(qū)的溝道電流公式為： ? ?22 TGiDS VVCLWI ??? ? (12) 式中， IDS 為溝道電流； VG 為柵極電壓； VT 為閾值電壓； W 與 L 為溝道寬和長(zhǎng)； μ 為載流子遷移率； Ci 為柵介質(zhì)層單位面積電容。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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模集成電路的要求。近年來(lái)，隨著晶體管器件精細(xì)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(diǎn)。 本課題的提 出 ........................................................................................ 12 主要研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................ 12 第二章實(shí)驗(yàn)過程與方法 ..................................................................................... 13 實(shí)驗(yàn)原料 ................................................................................................ 13 儀器設(shè)備 ................................................................................................ 13 實(shí)驗(yàn)過程 ................................................................................................ 14 實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)及性能 ..................................................... 18 紫外輻照處理的氧化鋁薄膜 ..................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 目前， FET 器件較為常用的結(jié)構(gòu)為底柵頂接觸結(jié)構(gòu)，即：以襯底為柵極或者先在襯底上制備柵電極，然后在柵極上制備柵介質(zhì)層，半導(dǎo)體層直接生長(zhǎng)在柵介山東大學(xué)畢業(yè)論文 7 質(zhì)層表面，源漏電極又沉積到半導(dǎo)體層上。 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，基底材料以及柵介質(zhì)材料。 Al2O3 有較高的介電常數(shù)，其禁帶寬度很大 (和 Si 接近 ) 。 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。配置了 2 種不同溶劑條件下的前驅(qū)體溶液。 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。 。 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。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)。 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 。平日里與老師探討學(xué)術(shù)問題，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。器件的制備及測(cè)試過程均在室溫下、空氣中進(jìn)行。 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)果見圖 33。 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)，見圖 23。 (3) 薄膜旋涂 涂膜之前要先對(duì)前驅(qū)體溶液進(jìn)行過濾，以免其中雜志過多，對(duì)薄膜生長(zhǎng)造成 影響。 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。 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。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。表 11 中是一些 高介電常數(shù)材料性能簡(jiǎn)單介紹。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。（ 2）通道電子漏失的問題；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。因此，對(duì)于柵介質(zhì)材料的研究，具有非常重要的意義。 highK dielectric material。 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。能夠反映出反映在一定柵壓下器件開關(guān)性能的好壞。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 。后來(lái)減慢升溫和降溫速率至 2 ℃ /s，退火前后電學(xué)性能幾乎沒有變化。 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)過程 涂膜 實(shí)驗(yàn)流程 本課題將采用見圖 21 的實(shí)驗(yàn)流程制備 Al2O3 介電薄膜。 25 min，目的是溶解硅片表面殘余物和丙酮。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。 制備流程如圖 24 所示：