溶胶凝胶法制备Hf基高k栅介质薄膜及其器件性能研究

摘要

随着超大规模集成电路的发展，MOSFET器件的特征尺寸不断缩小，传统栅介质SiO2薄膜由于它较低的介电常数(～3.9)已经达到了它的物理极限。此时，由于量子遂穿效应，使得栅介质层的漏电流急剧增加，导致了器件的可靠性和稳定性急剧下降，严重影响器件的使用寿命。近年来，Hf基高介电常数材料由于具有较高的k值、与Si衬底具有较好的热稳定性和优异界面、较大的禁带宽度以及较大价带和导带偏移，成为替代传统SiO2栅介质理想的候选材料，引起了越来越多关注和研究。薄膜晶体管(TFT)器件作为平板显示器的核心原件，对提高平板显示器的性能起到举足轻重的作用。而TFT器件的栅绝缘层性能的好坏直接影响着器件的性能。采用高介电常数的Hf基高介电常数材料代替传统的SiO2栅介质，可以有效降低器件的漏电流、减小阈值电压，可以提高栅极对源漏极之间电流的调控作用。目前Hf基高介电薄膜材料的制备方法也有很多，原子层沉积(ALD)是目前业界制备栅介质的主流技术，但ALD技术需要高真空环境和薄膜生长速率非常慢，不利于大规模的现代化生产。而利用溶胶凝胶法制备Hf基高介电薄膜材料，其成本较低、操作简单和材料成分容易控制。因此，利用溶胶凝胶法制备Hf基高k栅介质薄膜和器件研究对集成电路的发展具有重要意义。溶胶凝胶法由于使用溶液制备薄膜，所以必须进行热处理进行固化，而热处理的温度对薄膜的质量有着直接影响。基于前期报道可知，大部分方法制备的铪基栅介质由于低晶化温度、不太高的介电常数，及高温下恶化的界面特性阻碍其在MOSFET和TFT中的继续应用。基于这些棘手问题，本论文采取Ti、Al等元素掺杂有效改善HfO2薄膜的物性，调控MOS和TFT器件性能。
　　1、利用溶胶凝胶法制备了HfO2薄膜，探究了不同退火温度对其结构、光学和电学性质的影响。实验结果表明:不同的退火温度下HfO2薄膜具有不同的晶体结构，同时退火温度有效调控了HfO2薄膜的光学带隙;电学测试分析表明400℃退火的样品显示了优化的电学性能。
　　2、利用溶胶凝胶法制备了Ti掺杂的HfO2栅介质薄膜，研究了不同的烘烤温度对薄膜结构、光学和电学性能的影响。烘烤温度在200℃时，薄膜的电学性能最好，其介电常数相对于HfO2薄膜有明显增加。
　　3、利用溶胶凝胶法制备了Al掺杂的HfO2栅介质薄膜，探究了不同的退火温度对薄膜光学和电学性能的影响。电学测试表明:400℃退火的样品显示了优化的电学性能，且漏电流有明显抑制。
　　4、利用溶胶凝胶法制备了InZnO/HfAlOx薄膜晶体管，通过改变HfAlOx薄膜的退火温度和绝缘层的厚度，研究绝缘层对薄膜晶体管性能的影响。器件测试表明:当HfAlOx薄膜在600℃退火温度时，InZnO/HfAlOx薄膜晶体管展现出较好的性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 溶胶凝胶法

1．3 MOSFET和TFT工作原理简介

1．3．1 MOSFET工作原理简介

1．3．2 TFT工作原理简介

1．4 本论文研究内容与意义

第二章 薄膜制备仪器和分析测试仪器

2．1 衬底清洗系统

2．1．1 超声波清洗器

2．1．2 等离子体清洗机

2．2 薄膜制备系统

2．2．1 匀胶机

2．2．2 射频磁控溅射和热蒸发系统

2．2．3 退火炉

2．3 薄膜分析测试仪器

2．3．1 椭偏仪(SE)

2．3．2 紫外-可见分光光度计(UV-Vis)

2．3．3 X射线衍射仪(XRD)

2．3．4 扫描电镜(SEM)

2．3．5 电学测试仪器

第三章 退火温度对HfO2薄膜结构、光学和电学性能影响

3．1 HfO2薄膜制备

3．1．1 Si衬底和石英片的清洗

3．1．2 前驱体溶液制备

3．1．3 HfO2薄膜制备及其器件构筑

3．2 HfO2薄膜结构、光学性能和电学性能研究

3．2．1 HfO2薄膜微结构分析

3．2．2 HfO2薄膜光学性能研究

3．2．3 HfO2薄膜电学性能研究

3．2．4 HfO2薄膜漏电流产生机制分析

3．3 本章小结

第四章 烘烤温度对HfTiOx薄膜光学和电学性能影响

4．1 HfTiOx薄膜制备

4．1．1 HfTiOx溶液制备

4．1．2 HfTiOx薄膜制备

4．1．3 HfTiOx／n-Si MOS器件构筑

4．2 HfTiOx薄膜成分、光学性能和电学性能分析

4．2．1 HfTiOx薄膜EDS测试分析

4．2．2 HfTiOx薄膜光学性能分析

4．2．3 HfTiOx薄膜电学性能分析

4．2．4 HfTiOx薄膜漏电流机制分析

4．3 本章小结

第五章 Al掺杂对HfO2薄膜光学和电学性能影响

5．1 HfAlOx薄膜制备

5．1．1 HfAlOx溶液制备

5．1．2 HfAlOx薄膜制备

5．1．3 HfAlOx栅介质MOS器件构筑

5．2 HfAlOx薄膜光学性能和电学性能分析

5．2．1 HfAlOx薄膜光学性能分析

5．2．2 HfAlOx薄膜电学性能分析

5．2．3 HfAlOx薄膜漏电流机制分析

5．3 本章小结

第六章 InZnO／HfAlOx薄膜晶体管性能研究

6．1 不同退火温度处理HfAlOx薄膜对薄膜晶体管性能的影响

6．1．1 InZnO／HfAlOx薄膜晶体管的制备

6．1．2 InZnO／HfAlOx薄膜晶体管电学性能分析

6．2 不同绝缘层厚度对薄膜晶体管性能的影响

6．2．1 InZnO／HfAlOx薄膜晶体管制备

6．2．2 薄膜晶体管电学性能分析

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢