高k介电薄膜的制备以及薄膜晶体管中的应用研究.docx

1、山东大学毕业论文1毕业论文设计论文设计题目高K介电薄膜的制备以及薄膜晶体管中的应用研究THEFABRICATIONOFHIGHKDIELECTRICSFILMANDITSAPPLICATIONONTHINFILMTRANSISTORS学生姓名学院材料科学与工程专业无机非金属材料工程年级2011级指导教师姓名副教授2015年6月10日山东大学毕业论文2摘要栅介质材料是金属氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）中的一个重要组成部分。近年来，随着晶体管器件精细化、小型化的高速发展，高K材料的提出和开发成为了新的研究热点。但是用于MOSFET中的栅介质材料，除了要求高的介电常数外，对栅介质薄膜界面的质

2、量要求非常高。晶粒尺寸及晶界均会对薄膜介电常数及漏电流大小产生影响。因此，对于栅介质材料的研究，具有非常重要的意义。本文选取了AL2O3作为栅介质材料，利用溶胶凝胶法制备了非晶态AL2O3薄膜材料，研究了不同热处理条件（紫外光退火，光波退火等）工艺对薄膜微观结构及介电、漏电性能的影响。以氧化铝薄膜为介电层，掺杂铟稼的氧化锌为半导体层制备了低操作电压薄膜晶体管。操作电压可降低至3V，场迁移率可达696CM2V1S1，开关比达到113104。满足低操作电压晶体管器件的使用要求。关键词薄膜晶体管；高K介电材料；溶胶凝胶法；AL2O3薄膜山东大学毕业论文3ABSTRACTGATEDIELECTRICM

3、ATERIALISANIMPORTANTCOMPONENTINMETALOXIDESEMICONDUCTORFIELDEFFECTTRANSISTORMOSFETINRECENTYEARS,WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFTRANSISTORDEVICESTOWARDSELABORATIONANDMINIATURIZATION,THEPROPOSITIONANDDEVELOPMENTOFHIGHKMATERIALSHASBECOMEANEWRESEARCHHOTSPOTBUTFORTHEGATEDIELECTRICMATERIALUSEDINMOSFET,INADDITION

4、TOTHEREQUIREMENTOFHIGHDIELECTRICCONSTANT,THEQUALITYOFTHEGATEDIELECTRICFILMINTERFACEISALSOREQUIREDTOBEVERYHIGHBOTHGRAINSIZEANDGRAINBOUNDARIESHAVEANIMPACTONTHEDIELECTRICCONSTANTANDLEAKAGECURRENTOFTHETHINFILMSTHEREFORE,ITHASVERYIMPORTANTSIGNIFICANCEFORTHESTUDYOFGATEDIELECTRICMATERIALINTHISWORK,AL2O3WAS

5、SELECTEDASTHEGATEDIELECTRICMATERIALSANDTHEMETHODPREPARINGAMORPHOUSAL2O3ISSOLGEL,HASRESEARCHTHATEFFECTOFDIFFERENTHEATTREATMENTCONDITIONSUVANNEALING,LIGHTWAVEANNEALINGONTHEMICROSTRUCTUREANDDIELECTRICFILMLEAKAGEPROPERTIESLOWOPERATINGVOLTAGETHINFILMTRANSISTORISPREPAREDWITHALUMINAFILMASADIELECTRICLAYERAN

6、DIGZOASASEMICONDUCTORLAYERTHEOPERATIONVOLTAGEFELLTO3VANDTHEFIELDEFFECTMOBILITYCANREACH696CM2V1S1WITHTHEON/OFFCURRENTRATIOOF113104,WHICHCANMEETTHEREQUIREMENTSOFLOWOPERATINGVOLTAGETRANSISTORSKEYWORDSDIELECTRICLAYERTHINFILMTRANSISTORHIGHKDIELECTRICMATERIALSOLGELMETHODAL2O3FILM山东大学毕业论文4目录第一章绪论511研究背景512

7、场效应晶体管概述913高介电常数材料研究进展9131高介电常数材料概述9132一些常用的高介电常数材料10133高介电常数材料在晶体管中的应用错误未定义书签。14本课题的提出1215主要研究内容12第二章实验过程与方法1321实验原料1322仪器设备1323实验过程14231实验流程14232AL2O3薄膜制备15233薄膜晶体管的制备18第三章高介电常数薄膜的微观结构及性能1831紫外辐照处理的氧化铝薄膜错误未定义书签。32光波处理的氧化铝薄膜2333光波处理的氧化铝薄膜作为介电层的薄膜晶体管23第四章结论25致谢28参考文献29山东大学毕业论文5第一章绪论11研究背景快速、高密度两项要求一

8、直是半导体技术发展的驱动力，目的是除了可以降低成本外，最重要的还是满足消费者的需求。因而晶体管的特征尺寸几乎随着摩尔定律的预测，快速地以每两、三年一个世代的脚步持续缩小。随着微电子工业的迅猛发展，传统的电子器件已经远远不能满足大规模集成电路的要求。纵观微电子技术发展史可以看出,电子器件的小型化及高速化是该领域飞速发展的主要驱动力。然而随着器件尺寸的缩小，器件中的栅介质层厚度也会成比例的减小，当其厚度接近原子间距的时候，受量子隧穿效应的影响，传统的薄膜氧化层会有以下几个问题（1）直接穿透漏电流的问题；薄氧化层已不是一个良好绝缘体，漏电流的机制将由FNTUNNELING转变为DIRECTTUNNE

9、LING，使的漏电流的大小随厚度减少呈现级数增加。（2）通道电子漏失的问题；太大的漏电流使得电子无法在通道中累积，降低元件电流的驱动力。（3）载子迁移率下降的问题；氧化层厚度的减少使得垂直于通道的电场快速增加，因此表面散射的效应增强，导致通道中的载子迁移率下降。在栅介质层厚度不变的情况下，采用具有较高介电常数的材料，可以大幅度降低晶体管中的电场强度以及减小漏电流所带来的影响。因此，采用高介电常数材料薄膜作为栅介质层材料已经成为场效应晶体管研究中的一个重要方向12场效应晶体管概述场效应晶体管（图1）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。属于电压控制型半导体器件。山东大学

10、毕业论文6图11场效应管其具有如下特点（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS栅源电压来控制ID（漏极电流）；（2）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻（1071012）很大。（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；（5）场效应管的抗辐射能力强；（6）由于它不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。121场效应晶体管基本结构FET的基本组成结构包括衬底、栅电极、半导体层、栅介质层、源漏电极。器件工作时，向导电沟道注入载流子的电极为源极、从导电沟道输出载流子的电极为漏极，源漏极与半导体

11、层接触。根据栅电极和器件衬底的相对位置，场效应晶体管可以分为顶栅极结构和底栅极结构，在底栅极结构中，高掺杂的硅衬底通常也同时被作为栅电极。目前，FET器件较为常用的结构为底栅顶接触结构，即以衬底为栅极或者先在衬底上制备栅电极，然后在栅极上制备栅介质层，半导体层直接生长在栅介山东大学毕业论文7质层表面，源漏电极又沉积到半导体层上。底栅顶接触结构器件中，平坦的栅介质层表面有利于半导体晶粒的连续生长，而且位于半导体层中邻近绝缘层界面的有源沟道能够受到再生长的材料的保护，避免了杂质进入导电沟道，也不存在再生长的源漏电极对有源层薄膜形貌的影响等问题。更重要的是，我们还可以通过提高栅介质层的表面质量来改善

12、与半导体层的界面特性，从而提高半导体薄膜生长质量。122场效应晶体管工作原理薄膜场效应晶体管在线性区和饱和区的沟道电流公式为DSDSTGIDSVVVVCLWI211饱和区的沟道电流公式为22TGIDSVVCLWI12式中，IDS为沟道电流；VG为栅极电压；VT为阈值电压；W与L为沟道宽和长；为载流子迁移率；CI为栅介质层单位面积电容。由式11及12可以看出，FET属电压控制型半导体器件，我们以P型底栅顶电极结构FET为例来说明FET的工作原理。见图12，晶体管可以看成是一个由栅极和导电沟道之间的半导体层构成的平板电容器3。在栅介质层两侧的源极和栅极之间施加电压，会诱导半导体层中的载流子聚集到半

13、导体层与栅介质层的界面处，再施加源漏极电压时，这些载流子在电场的作用下会发生移动，形成电流。由此可知，栅极起着控制沟道电流的“阀门”作用。即当不施加栅极电压时，由于半导体材料的低本征电导率，FET处于“关”状态，漏极电流IDS非常低；当施加栅压时，在电场作用下，半导体中的电荷会向栅介质层处流动、汇聚，形成导电沟道，随着栅极电压增大，载流子数目增加，表现为源漏电流IDS增加，这时FET处于“开”状态。山东大学毕业论文8图12场效应晶体管工作原理示意图123薄膜晶体管基本参数1输出与转移特性曲线制备好的晶体管器件能够直接测试的是输出特性曲线同一栅极偏压下，源漏电流一源漏电压曲线和转移特性曲线同一源

14、漏电压下，源漏电流一栅极偏压曲线，薄膜晶体管器件的性能参数都是由这两条曲线计算得到。2载流子迁移率晶体管的载流子迁移率又叫场效应迁移率，是指单位电场下电荷载流子的平均移动速度，它反映在不同电场下空穴或电子在半导体中的迁移的能力，是表征晶体管器件非常重要的参数，单位为CM2V1S1。载流子迁移率一般从较大VDS情况下转移特性曲线IDS1/2VG的线性部分获得此时器件工作于饱和区，由式12变换出的场效应迁移率的计算公式为22GDSVIWCIL13已知L、W、CI值，再由器件的输出特性曲线IDS1/2VGS曲线的斜率代入到上式即可得到值。3电流开关比开关比ION/IOFF为在固定VDS的下，器件工作

15、在饱和状态时的源漏电流开态电流与不加栅压时源漏电流关态电流之比值。能够反映出反映在一定栅压下器件开关性能的好坏。开关比越高，所反映出器件开关性能器件的稳定性和抗干扰能力越好。实际上，关态电流就是器件的漏电流，由器件本身的性质尤其是栅介质层的性质决定，因此漏电流往往决定了器件开关比的高低。山东大学毕业论文913高介电常数材料研究进展131高介电常数材料概述MOS晶体管的结构主要有三部分栅极材料，基底材料以及栅介质材料。在传统晶体管器件中，二氧化硅（介电常数39）以其在硅基上的优越电学性能，一直以来都是栅介质材料的最佳选择。随着晶体管期间小型化的发展，栅介质二氧化硅的厚度也在相应减小，导致形成大的

16、漏电流。为了解决栅极漏电流的问题，人们开始探索具有高介电常数的材料作为新的栅介质材料，如SRTIO3、HFO2、ZRO2和AL2O3等。高介电常数材料也称高K材料，是对介电常数大于二氧化硅K39的介电材料的泛称。根据理化性质大致分类，可知铁电材料、金属氧化物、氮化物是3类比较常用的高介电常数材料。表11中是一些高介电常数材料性能简单介绍。表11一些高介电常数材料的性能7高K材料禁带宽度EG/EV与SI导带间距EE/EV介电常数KSIO2893239SI3N4512467PR2O33136TA2O545032550AL2O387289HFO2572521ZRO2781425Y2O3562315L

17、A2O3432330由于受到制备方法、工作条件和材料中各元素组分不同等因素的影响，同一类材料的介电常数也有所不同，就介电常数而言，氮化物相对较低，金属氧化物山东大学毕业论文10相对较高，而铁电材料一般显著高于前者，某些铁电材料在常温下的介电常数可达到1000以上8。其中，金属氧化物类的高介电常数材料主要包括AL2O3、TA2O5、ZNO、ZRO2、HFO2、CEO2、Y2O3等，这些材料的介电常数介于1080之间，它们作为成熟的动态随机存储器DRAM的电容材料已经得到了广泛研究，甚至许多专用加工设备已在工业界问世。金属氧化物薄膜的制备多用射频磁控溅射法、脉冲激光沉积PULSEDLASERDEP

18、OSITION，简称PLD、化学气相淀积CHEMICALVAPORDEPOSITION，简称CVD以及溶胶凝胶法等。132一些常用的高介电常数材料1221B族元素TI、ZR、HF氧化物TI、ZR、HF等B族元素的氧化物和硅化物常作为栅介质材料进行制备，下面对其进行简单的介绍ZRO2薄膜以其宽禁带78V，SI/ZRO2界面势垒高度为2EV，能在SI上稳定，能被氢氟酸腐蚀和较高的介电常数1530等优异性能得到广泛研究911。北大微电子所韩德栋等12人成功地将HFO2高K栅介质的EOT缩小到了065NM,并具有低的栅泄漏电流和有良好的可靠性,其10年寿命预测的栅工作电压达3V。HARRISH13等人

19、研究获得厚度在05NM的HFO2的等效氧化物，正反向扫描得到的平带电压偏移在20MV。程学瑞14等采用脉冲激光沉积方法PLD在SI100衬底上制备了HFO2栅介质薄膜，其中非晶态薄膜样品的高频介电常数和静态介电常数0只有413和124。随着生长温度升高薄膜晶化，介电常数增大，退火前后的薄膜高频介电常数分别为44和47，静态介电常数0分别为175和19315。1222A族元素AL、GA氧化物A族金属氧化物主要是AL2O3。AL2O3有较高的介电常数，其禁带宽度很大和SI接近。用AL2O3作栅介质材料，获得的漏电较小，通过控制反应条件能获得良好的AL2O3/SI界面。EPGUSEV16发现AL2O

20、3/SI界面较直，没有发现SIOX界面态密度小的情况。CHINA等17制备了TEQ等效厚度21NM的AL2O3栅极MOSFET，测试结果表明它的漏电流较小。当VG1V时，漏电流大约在山东大学毕业论文11108A/CM2，而用相同TEQ的SIO2制备的MOSFET的漏电流约为101A/CM2。JKOLODZEY18制备了一层ALN薄膜，然后在干氧气氛的水平石英管式炉中，以8001100氧化13H。根据CV特性曲线，最好样品的纯净氧化物的陷阱电荷密度低于1011CM2，可以和传统SIO2器件性能指标相媲美。陈伟19等采用射频磁控溅射法，在P型SI100衬底上制备了非晶ER2O3AL2O3ERALO

21、栅介质复合氧化物薄膜，ERALO薄膜经900高温退火后仍为非晶状态，具有良好的热稳定性。AFM测量显示ERALO薄膜拥有非常平整的表面形貌，RMS低于02NM。基于MOS结构的电学测量发现，氧分压为1时可以获得最大的积累端电容和较低的漏电流密度，当氧分压为1时，ERALO薄膜的有效相对介电常数为95，在1V时，漏电流密度为146105A/CM2。1223B族元素Y、LA氧化物B族金属氧化物主要包括Y2O3和镧系的LA2O3等。JKWO20在介质Y2O3和SI界面上没有发现SIO2，TEQ为1NM的非晶态Y2O3薄膜表面平整，偏压为1V时，漏电流为106A/CM2，根据CV曲线估算出禁带中部DI

22、T约为1011CM2/EV1。经过在HE气氛中以850、950快速退火处理1MIN，电容和漏电流等电学性能显著下降，这可能是由于界面上反应生成了SIO2。后来减慢升温和降温速率至2/S，退火前后电学性能几乎没有变化。WUYH报告21了LA2O3等效氧化物厚度048NM在1V时，漏电流密度为006A/CM2，界面态密度为301010EV1/CM2，在栅偏压为2V下，其寿命大于10年，表现出良好的电学性能和可靠性。1224B族元素TA氧化物TA2O5由于具有较高的介电常数K26、低的漏电流密度、高的击穿电压、以及易与目前的硅工艺相兼容等优点，一直被认为是最好的替代品之一。DPARK制得22了以TA

23、2O5为栅介质的N沟晶体管，同时制备了38NM和24NM厚的SIO2栅介质作对比。对于TEQ为18NM的栅介质，当VGVDS15V时，漏电流为0316MA，且TA2O5的迁移特性和SIO2的相似。山东大学毕业论文1214本课题的提出氧化铝薄膜性能优异,具有较高的介电常数、高热导率、抗辐照能力强、抗碱离子渗透能力强以及在很宽的波长范围内透明等性能因此,氧化铝薄膜广泛地应用于微电子器件、电致发光器件、光波导器件以及抗腐蚀涂层等众多领域。同时氧化铝是高K材料，相对介电常数是9，几乎是二氧化硅/氮化硅/二氧化硅ONO介质的2倍，击穿强度可达1V/NM以上，并且高带隙87EV、高势垒导致其隧穿电流小。在

24、室温下AL2O3的介电子被激发到导带中去的几率小，表现为绝缘体。所以AL2O3可以用作高密度电容的介质材料。基于以上分析，本实验选取AL2O3材料作为栅介质层薄膜材料，通过控制前驱体浓度、涂膜工艺、热处理工艺等，制备出非晶态氧化铝薄膜，并测试其性能。在此基础上选取性能优异样品，制备出薄膜晶体管。14主要研究内容本课题的研究内容分为以下几个部分1制备非晶复合氧化物栅介质层，采用溶胶凝胶法制备AL2O3薄膜，通过对薄膜的不同低温处理工艺，获得性能优异的非晶介电薄膜；2）以AL2O3薄膜为介电层制备晶体管器件，研究其电学性能。山东大学毕业论文13第二章实验过程与方法21实验原料本实验所使用主要原材料

25、见表21。表21实验材料、化学式、纯度及厂家名称化学式纯度生产厂家硝酸铝ALNO339H2O分析纯天津市光复精细化工研究所无水氯化铝ALCL3分析纯天津市光复精细化工研究所乙酰丙酮CH3COCH2COCH3分析纯国药集团化学试剂公司乙二醇甲醚HOCH2CH2OCH3分析纯天津市大茂化学试剂厂无水乙醇C2H5OH分析纯天津市大茂化学试剂厂丙酮C3H6O分析纯天津市大茂化学试剂厂30过氧化氢H2O2分析纯莱阳经济开发区精细化工厂氨水NH3H2O分析纯莱阳经济开发区精细化工厂P型硅片SISILICONMATERIALSINC去离子水实验室自制22仪器设备课题研究所用仪器设备见表22。表22仪器设备型

26、号与生产厂家仪器型号生产厂家超声清洗器KQ318T昆山市超声仪器有限公司台式匀胶机KW4A中国科学院微电子研究所加热磁力搅拌器CMAGHS7郑州南北仪器设备有限公司电热真空干燥箱ZKXF上海树立仪器有限公司紫外臭氧光清洗机UVCN北京航天宏达光电技术有限公司电子天平FA2004上海精科天平电热恒温鼓风干燥箱DNG9036上海精宏实验设备有限公司高真空度物理气相沉积统MS500B1沈阳科友真空技术有限公司山东大学毕业论文14微波炉G90F25CSLVC2广州格兰仕微波生活电器制造有限公司低压汞灯光源CELLPHT20166北京中教金源科技有限公司吉时利2400系列数字源表KEITHLEY2400

27、KEITHLEYINSTRUMENTSINCPLUSPRECISIONLCRMETER数字电桥7600QUADTECH铁电测试仪RADIANTPRECISIONPREMIERII型原子力显微镜AFMDIMENSIONICONVEECOINSTRUMENTSINC冷场发射扫描电子显微镜JEOLJSM7600FSEM日本电子株式会社23实验过程231涂膜实验流程本课题将采用见图21的实验流程制备AL2O3介电薄膜。乙二醇甲醚无水氯化铝磁力搅拌至均匀过滤冰乙酸离心，白色胶体混合溶解干燥旋涂AFM、SEM测试膜不均匀冰乙酸缓慢加入无水氯化铝中，防止反应过于剧烈山东大学毕业论文15图21氧化铝薄膜制备流

28、程图232AL2O3薄膜制备1前驱体溶液配制本实验采用无水氯化铝与冰乙酸反应生成的醋酸铝为溶质。分别以乙二醇甲醚溶液和乙二醇，乙腈混合溶液为溶剂。配置了2种不同溶剂条件下的前驱体溶液。以1MOL/L的乙二醇甲醚为例，溶液配制过程为1称取1MOL无水氯化铝粉末。2量取5ML冰乙酸，缓慢加入无水氯化铝中。溶解完全后，加热80并搅拌10MIN至反应均匀。得到白色乳浊液。3将搅拌后的乳浊液离心得到白色胶装沉淀即醋酸铝胶体。离心转速3000R/MIN离心时间4MIN4取5ML乙二醇甲醚，溶解醋酸铝并搅拌，常温下搅拌12H至混合均匀，得到初期前驱体溶液，静置12H陈化后可进行涂膜。以上实验中需要注意几点1

29、无水氯化铝极易吸水并放热，不能长期暴露在空气中，故称量过程要迅速准确，称量完成后要取完全干燥的瓶子盛放。2用冰乙酸溶解氯化铝粉末时，溶剂加入速度要缓慢连续，可分次加入，防止溶解放热反应过于剧烈，从而导致溶液溢出。3由于氯化铝与冰醋酸溶解并反应，本身放热，所以加热搅拌时间及温度必须严格控制，搅拌过程中溶液不能达到沸腾。4加热搅拌后应先降温并继续搅拌，降至常温后再进行离心处理。2基片清洗热处理山东大学毕业论文16薄膜基底的表面洁净程度对薄膜生长及其性能有重要影响，因此要彻底清洗涂膜所用的硅片基底。清洗步骤如下1将硅片置于丙酮中超声25MIN，目的是清洗硅片上附着的物。2将硅片置于无水乙醇中超声25

30、MIN，目的是溶解硅片表面残余物和丙酮。3将硅片置于DIWATER中超声10MIN，目的是溶解硅片表面部分重金属离子和残余的乙醇。4将硅片置于氨水双氧水DIWATER的体积比为117的混合溶液中加热至85并保温30MIN，目的是彻底清除基底上的重金属离子，并使硅片表面具有亲水性。5将硅片置于DIWATER中超声5MIN，目的是洗掉之前步骤中残留在硅片上的氨水双氧水。6将硅片置于无水乙醇中加热到180并保温，直到有大量气泡冒出，缓慢提出硅片，乙醇挥发完全后，放入样品盒，目的是干燥硅片。7将硅片置于紫外臭氧光清洗15MIN，目的是用紫外线对硅片表面进行清洗，彻底除去基地表面物。8取一片硅片进行亲水

31、性测试。若亲水性好，则可以准备涂膜。因为亲水性好的基底涂膜时，溶液容易铺开，甩膜均匀，薄膜性能好。3薄膜旋涂涂膜之前要先对前驱体溶液进行过滤，以免其中杂志过多，对薄膜生长造成影响。将之前洗干净的SI片放在匀胶机片架上，吸片后滴一滴制备好的溶胶，启动匀胶机，匀胶机的工作参数如下旋涂转速3000R/MIN旋涂时间40S将涂完的薄膜在烤板上加热，在逐渐升高的温度下进行干燥。具体参数如下100，2MIN120，2MIN140，2MIN160，2MIN200，5MIN，接着进行光波处理或紫外照射处理，使膜更致密均匀，从而得到一层AL2O3薄膜。若要涂多层，再用同样的方法，重复涂膜4次，得到涂了五层薄膜的

32、硅片。旋涂薄膜的注意事项有山东大学毕业论文171匀胶机的低速转速是为了使溶液能够铺展开，由于所配制溶液亲水性很好，很容易铺展，因此可以不设置。2由于涂覆一层薄膜后，表面的亲水性已经发生改变，所以在滴前驱体溶液前再对硅片进行臭氧处理，便于溶液的铺展。3同一批试样滴前驱体溶液使用量尽量保持一致以免造成膜厚不同。4烤板的温度一般要高于溶剂的沸点，以便溶剂能够完全挥发出去。4薄膜的热处理对干燥好的薄膜进行热处理工艺，是为了是薄膜更为致密，稳定性更好，获得优异的电学性能。本实验采用低温退火工艺，直接将薄膜放在恒温干燥箱中进行退火处理。本实验对薄膜制品的热处理温度均为300，保温时间为1小时。具体处理工艺

33、见表23，24。紫外照辐退火表23样品编号溶剂前驱体浓度涂膜层数退火条件1乙腈，乙二醇02MOL/L3恒温220，紫外照射2乙腈，乙二醇02MOL/L5恒温220，紫外照射3乙腈，乙二醇02MOL/L5逐渐升温，紫外处理光波处理退火表24样品编号溶剂前驱体浓度涂膜层数退火条件5乙腈，乙二醇02MOL/L5恒温220，光波处理5镀电极在测试薄膜的电学性能时，必须给样品镀电极，本试验采用溅射法镀金电极，制备出金属薄膜金属METALFILMMETAL，MIM结构，见图23。图23MIM结构示意图山东大学毕业论文18233薄膜晶体管的制备本课题选用的半导体有源层为IGZO，采用氧化铝薄膜样品作为介电层

34、。用旋涂法制备了有源层，用热蒸发镀膜法蒸镀了顶电极AL。镀铝电极的具体操作方法将电阻丝换成钨舟,并将生长速率控制在了0102/S的范围内，气压为25104PA。同样借助石英晶振片实时监测薄膜的厚度。在本实验中，我们制备的铝电极的厚度为100NM。晶体管导电沟道尺寸由掩膜板来控制，导电沟道长L50M，宽W2000M。制备流程如图24所示图24第三章高介电常数薄膜的微观结构及性能我们分别对紫外处理和光波辐照的氧化铝薄膜进行了SEM和电学性能检测。31紫外辐照处理的氧化铝薄膜我们分别制备了在不同退火条件（紫外照辐，光波处理）下处理旋涂完成的氧化铝薄膜。其SEM形貌见图31。硅片清洗AL2O3绝缘层介

35、电层制备晶体管性能测试测试铝电极的真空蒸镀IGZO的旋涂山东大学毕业论文19图31不同涂膜条件下氧化铝薄膜SEM形貌A紫外处理直接升温5层，B紫外处理直接升温3层，C紫外处理逐渐升温3层由上图可以看出，薄膜样品的表面质量都比较均匀平滑，表面形貌受热处理条件的影响不明显，无明显缺陷，都非常平整，成膜质量较好。我们对不同涂膜处理工艺下的氧化铝薄膜样品进行了电容电学性能测试（CF曲线）。见下图32。由于测试获得的数据是电容，需带入下面公式换算得到所需的介电常数。同时，通过除去所测样品的表面积S，得到单位面积电容值。其中R为材料的相对介电常数；0为真空介电常数，其值为88541012F/M；D为薄膜厚

36、度，本实验中一层膜的厚度约为20NM；ABC山东大学毕业论文201001000100001000001000000130140150160170180AL2O3C/NF/CM2频率/HZORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINP

37、RO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION10010001000010000010000003334353637383940AL2O3C/NF/CM2频率/HZORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPR

38、O8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION山东大学毕业论文2110010001000010000010000003234363840424446AL2O3频率/HZC/NF/CM2ORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIO

39、NORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION图32不同退火条件下单位电容测试结果依次为紫外处理直接升温5层，紫外处理直接升温3层，紫外处理逐渐升温3层由AL2O3薄膜电容值随频率变化的曲线可以看出，无论是在什么涂膜条件下，薄膜单位面积的电容值都随测试频率的增加而降低。我们对涂膜处理条件下氧化铝薄膜样品进行漏电电学性能测试（JV曲线），其结果见图33。3031E91E81E7AL2O3JA/CM2VVORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION

40、ORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION山东大学毕业论文22图33A）紫外照射持续升温3层3031E71E61E5AL2O3JA/CM2VVORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8

41、EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION图33（B）紫外照射恒温3层3031E81E71E6AL2O3JA/CM2VVORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8E

42、VALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION图33（C）紫外照射恒温5层由图33我们可以看出，氧化铝薄膜在3V电压下，漏电流都在1105A/CM2

43、以下，表明薄膜均匀程度较高，致密度较好。山东大学毕业论文23紫外照射持续升温3层的氧化铝薄膜在3V电压下，漏电流为5107A/CM2。紫外照射恒温3层的氧化铝薄膜在3V电压下，漏电流为1105A/CM2。紫外照射恒温5层的氧化铝薄膜在3V电压下，漏电流为3106A/CM2。由此可以看出，在持续升温下制得的薄膜，更致密均匀，得到的漏电更小。而相应的，涂的薄膜层数越多，测得的漏电越小，电学性能更优异。32光波处理的氧化铝薄膜我们制备了在光波处理下旋涂完成的氧化铝薄膜。其SEM形貌见图34。图34光波处理氧化铝薄膜SEM形貌我们对不同涂膜处理工艺下的氧化铝薄膜样品进行了电容电学性能测试（CF曲线）。

44、由于测试获得的数据是电容，需带入下面公式换算得到所需的介电常数。同时，通过除去所测样品的表面积S，得到单位面积电容值。其中R为材料的相对介电常数；0为真空介电常数，其值为88541012F/M；D为薄膜厚度，本实验中一层膜的厚度约为20NM；如图35所示山东大学毕业论文24100100010000100000148150152154156158160162164166AL2O3C/NF/CM2频率/HZORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUAT

45、IONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION图35光波处理氧化铝薄膜我们对光波辐照涂膜处理条件下氧化铝薄膜样品进行漏电电学性能测试（JV曲线），其结果见下图36。64202461E81E71E6AL2O3JA/CM2VVORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO

46、8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATIONORIGINPRO8EVALUATION图36光波恒温处理光波恒温处理的氧化铝薄膜在3V电压下，漏电流为7107A/CM2。山东大学毕业论文25可以得出，在光波处理的氧化铝薄膜比起紫外照射的薄膜，漏电更小，相应的电学性

47、能更好。33光波处理的氧化铝薄膜作为介电层的薄膜晶体管晶体管器件的结构示意图见图37。器件的制备及测试过程均在室温下、空气中进行。图37以AL2O3为栅介质层的晶体管器件结构我们采用KEITHLEY2400数字源表，用KEITHLEY2400可实现在一定的栅极电压下，场效应晶体管ISDVSD曲线的自动测量。通过测量不同栅压下的ISDVSD曲线，可获得一组场效应晶体管的输入输出特性图，同样的道理，我们也可以实现场效应晶体管转移特性曲线的记录从场效应晶体管的输入输出特性特性曲线簇以及场效应晶体管转移特性曲线可以得到我们想要得到的关键参量迁移率、阈值电压、开关比等。晶体管的输入输出曲线固定栅电压，测

48、试源漏电流随源漏电压的变化关系。晶体管的转移特性曲线固定源漏电压，测试源漏电流随栅极偏压的变化关系。晶体管器件的输出特性曲线和转移特性曲线见图38。栅压VG测试范围为3到6V，且每隔1V测试一组数据，所有器件都有典型的N型晶体管特性。在转移特性曲线中，VDS恒为3V。AL2O3IGZO硅基底栅极ALAL山东大学毕业论文26图38光波处理氧化铝晶体管输出特性曲线和转移特性曲线山东大学毕业论文27从图38中可以明显看出，当源漏电压较小时，器件工作在线性区；当源漏电压增加到接近栅极电压后，源漏电流趋于恒定，器件工作在饱和区。电学性能参数汇总见表31。表31光波处理氧化铝晶体管器件的电学性能薄膜处理单

49、位面积电容NF/CM2载流子迁移率CM2/VS开关比阈值电压V光波处理140696113104180914第四章结论本论文主要研究了在低温条件下通过溶胶凝胶法制备的高K材料氧化铝在不同退火（紫外照辐，光波处理）条件下薄膜的生长情况和电学特性的差异以及在薄膜晶体管中的应用。通过SEM对薄膜的形貌、粗糙度等进行了检测分析，对制备得到的低操作电压场效应晶体管的测试分析，可以得出以下结论1在低温下220制备了高K介电薄膜，通过旋涂后进行的紫外照射退火处理，可以更好的使薄膜均匀平滑，无明显缺陷，成膜质量良好，在涂膜5层时，膜厚100NM，外加电压3V时，获得漏电流均在106A/CM2的数量级，单位面积电容达到170NF/CM2。2经过在微波炉中进行的光波退火处理，可以得到致密均匀的薄膜。样品的单位面积电容可达164NF/CM2，漏电流约为106A/CM2，可以满足薄膜晶体管介电材料的使用要求。山东大学毕业论文283由光波退火处理的IGZO薄膜制备的效应晶体管操作电压可降低至3V，场迁移率可达696CM2V1S1，开关比达到113104。致谢衷心感谢我的导师副教授，在我进行毕业设计期间，无论从筛选题目、实验设计还是论文的批阅修订等方