高k介质薄膜的原子层沉积制备及纳米器件应用

摘要

随着集成电路尺寸的进一步缩小，纳米尺度的CMOS器件面临的技术挑战和物理问题已成为当前迫切而重要的研究课题，其中由于高k介质薄膜的优异物理特性和引人瞩目的应用前景，当前的高k介质薄膜研究已经成为了微电子领域中的一大热点。本文利用原子层沉积技术制备了高质量的高k介质薄膜，并结合微纳加工技术研究了其在生物微流体和微电子场效应管器件中的应用。
　　 首先，采用原子层沉积技术制备出Al2O3和HfO2介电薄膜，利用原子力显微镜对其表面形貌进行了表征，研究了沉积温度和膜厚对其表面粗糙度的影响和规律。此外，研究了两种薄膜的介电特性和漏电及击穿特性，结果表明利用原子层沉积制备的的介质薄膜具有较高高介电常数(10～20)，极低的漏电流(电压为18V时小于1μA/cm2)和较高击穿电压(高于65V)，是理想的栅介质层。
　　 其次，利用原子层沉积系统生长的Al2O3薄膜充当栅介质层，制备出顶栅结构的ZnO纳米线场效应管，研究其输出特性。场效应管性能测试结果表明Al2O3薄膜充当栅介质层可以大幅度降低器件的工作电压，使其工作在5 V以内，进一步可以有效降低电路的功耗。
　　 最后，利用原子层沉积的介质薄膜具有表面平整性，一致性和保型性等众多优点，研究其在生物微流道器件中的应用。利用聚焦离子束刻蚀在Si3N4薄膜上制做纳米孔，通过原子层沉积生长的Al2O3薄膜来修饰纳米孔，使其孔洞周围的噪声特征减小，同时缩小孔洞，使尺寸达至微流体器件应用于检测、传感生物大分子领域中的要求。研究结果表明，通过优化制备工艺，可以将直径为30nm的固态纳米孔缩小1/3。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1高k薄膜材料的兴起

1.2高k薄膜材料的研究进展

1.3高k薄膜材料的制备技术与应用

1.4论文的研究目的和内容

第二章 高k介质薄膜材料的制备工艺及介电特性研究

2.1引言

2.2原子层沉积技术制备Al2O3和HfO2薄膜

2.2.1原子沉积系统简介

2.2.2原子层生长机制

2.2.3原子层沉积系统制备Al2O3和HfO2薄膜形貌和成份的表征

2.3 Al2O3和HfO2薄膜介电特性的研究

2.3.1薄膜电容结构的制备

2.3.2沉积温度对HfO2和Al2O3的介电常数的影响

2.3.3介电薄膜的漏电特性与击穿电压测试与分析

2.4制备工艺对薄膜表面粗糙度的影响

2.4.1原子力显微镜的结构及原理

2.4.2沉积温度膜厚对薄膜表面粗糙度的影响

2.5小结

第三章 基于Al2O3栅介质层的氧化锌纳米线场效应管

3.1引言

3.2氧化锌纳米线的制备及其I-V特性

3.2.1氧化锌纳米线的的制备技术和生长机制

3.2.2单根ZnO纳米线的I-V特性

3.3 ZnO纳米线场效应管的制备及输出特性测量

3.3.1场效应管工作原理介绍

3.3.2氧化锌纳米线场效应管的制备

3.3.3氧化锌纳米线场效应管的电学输出特性测量

3.4小结

第四章 高k介质薄膜在微流体器件中的应用

4.1引言

4.2固态纳米孔的制备

4.2.1固态纳米孔的制备及表征所用仪器介绍

4.2.2聚焦离子束打孔的工艺研究

4.3 ALD沉积均匀薄膜缩孔

4.3.1 Al2O3膜厚控制对缩孔过程影响

4.3.2缩孔填充现象的原因分析及解决办法

4.4小结

第五章 总结

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致 谢