利用原子层沉积方法制备硅基MOS器件研究

摘要

硅基金属-氧化物-半导体(MOS)光电器件因其价格低廉、应用广泛等优点，具有广阔的应用潜力。完全利用原子层沉积(ALD)方法制备与当今硅基微电子工艺相兼容的硅基MOS光电器件具有很好的应用前景。
　　 为了测试ALD生长薄膜的厚度和折射率，我们搭建了一套单波长椭偏测量系统，并采用模拟退火算法分析了椭偏数据的处理问题。
　　 我们优化了氧化铝薄膜、氧化锌薄膜以及掺铝氧化锌薄膜的生长条件，并采用ALD方法，在石英衬底上生长了掺铝氧化锌薄膜，生长温度为150℃，生长源为三甲基铝(TMA)、二乙基锌(DEZn)和水。铝的掺杂量主要通过改变氧化铝薄膜和氧化锌薄膜的生长层数比来控制。我们分析了这些薄膜的结构、电学和光学性质。在铝含量为2.26％时，我们得到了电阻率为2.38×10-3Ω·cm，均方根粗糙度为1.328nm，可见光范围内透过率大于80％的掺铝氧化锌薄膜。铝原子的掺杂会提高氧化锌的禁带宽度，并使其光致发光猝灭。
　　 我们优化了可作为栅层材料的二氧化硅及氧化铪薄膜的原子层沉积生长条件，并测试了这些材料作为栅绝缘层的电学性质。在退火温度为900℃时，得到了击穿场强为8MV/cm、相对介电常数为3.69的二氧化硅薄膜，以及击穿场强接近于4MV/cm、相对介电常数为10.80的氧化铪薄膜。退火处理会有效的减少MOS结构器件的界面固定电荷密度和栅层俘获电荷密度，并大幅减少ALD生长时残留的Si-OH极性键对栅层相对介电常数的影响，从而提高栅层的电学性质。
　　 最后，我们分析了氧化铪材料作为硅基TCO/SiO2/n-Si MOS器件栅保护层的可行性，并完全采用ALD方法生长了ZnO：Al/HfO2/SiO2/n-Si MOS器件，分析了其电学特性。氧化铪栅层的加入，可以有效地改善器件耐压特性，使整个器件可以在0.1mA/cm2的恒定电流密度下稳定数分钟的时间，并可以观测到明显的F-N隧穿现象。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 硅基光电子器件的研究进展

第二节 采用ALD方法生长掺铝氧化锌薄膜材料研究进展

第三节 采用ALD方法生长栅层薄膜材料研究进展

第四节 本论文主要内容

第二章 实验样品制备和测试

第一节 引言

第二节 样品制备

2.2.1 原子层沉积技术原理

2.2.2 硅片清洗工艺

2.2.3 光刻技术

2.2.4 真空蒸镀

2.2.5 薄膜热处理

第三节 样品测试

2.3.1 膜厚测量

2.3.2 光电测试系统

2.3.3 结构测试分析

2.3.4 C-V性质测量

第四节 本章总结

第三章 椭偏测量系统的设计与搭建

第一节 引言

第二节 椭圆偏振测量原理

第三节 硬件系统的搭建

第四节 软件系统的设计

3.4.1 基于LabView设计的控制系统

3.4.2 基于模拟退火原理设计的数据处理系统

第五节 本章小结

第四章 掺铝氧化锌透明导电薄膜的制备与性质

第一节 引言

第二节 薄膜生长

4.2.1 氧化锌薄膜生长条件优化

4.2.2 氧化铝薄膜生长条件优化

4.2.3 掺铝氧化锌复合薄膜生长条件优化

第三节 薄膜性质分析

4.3.1 薄膜结构性质

4.3.2 薄膜电学性质

4.3.3 薄膜光学性质

第四节 薄膜稳定性测试

4.4.1 薄膜热稳定性

4.4.2 薄膜时间稳定性

第五节 本章小结

第五章 栅层薄膜的生长与性质

第一节 引言

第二节 二氧化硅薄膜的生长与测试

5.2.1 二氧化硅薄膜生长条件优化

5.2.2 二氧化硅薄膜电学性质测试

第三节 氧化铪薄膜的生长与测试

5.3.1 氧化铪薄膜生长条件优化

5.3.2 氧化铪薄膜电学性质测试

第四节 本章小结

第六章 ZnO：Al/Hf02/SiO2/n-Si MOS器件的研究

第一节 引言

第二节 ZnO：Al/HfO2/SiO2/n-Si MOS器件的可行性研究

第三节 ZnO：Al/HfO2/SiO2/n-Si MOS器件制备

第三节 ZnO：Al/HfO2/SiO2/n-Si MOS器件性能分析

第四节 本章小结

第七章 总结与展望

第一节 论文总结

第二节 未来展望

参考文献

致谢

个人简历