溶液法制備鋯基柵介質薄膜及其器件性能研究.pdf

1、受摩爾定律的影響，集成電路的集成度越來越高，集成電路中的最小單元MOSFET器件尺寸不斷縮小，導致傳統(tǒng)的柵介質SiO2層減小到原子尺寸，隨之帶來的是器件漏電流急劇增加，導致器件失效，無法正常的工作。選擇高介電常數(k)新材料代替SiO2柵介質迫在眉睫。通過不斷探索和研究發(fā)現，鋯基高介電柵介質材料具有較高的介電常數和結晶溫度、優(yōu)越的界面特性和內部結構以及較小的漏電流，有望在未來的MOSFET器件中替代傳統(tǒng)的SiO2柵介質材料。薄膜晶體管(

2、Thin Film Transistor(TFT))是顯示產業(yè)中的關鍵器件，它的性能好壞直接影響著顯示器的顯示質量。為了提高晶體管性能，高k材料在薄膜晶體管中的應用受到了廣泛關注。高k材料在薄膜晶體管中的應用可以降低晶體管的功耗、亞閾值擺幅和提高載流子遷移率。所以高k材料在MOSFET和TFT具有很好的應用前景。本文采用溶液法制備了硼(B)、鈦(Ti)、釓(Gd)等元素摻雜的Zr基高k柵介質薄膜材料，系統(tǒng)研究了其結構、光學、電學以及界面

3、等方面的性質。同時采用溶液法制備了TFT器件，研究了基于SiO2柵介質的薄膜晶體管不同溝道層和不同退火溫度對器件性能的影響，同時基于溶液法制備了不同的高k材料，構筑了TFT器件，系統(tǒng)研究了柵介質層及有源層的不同對器件性能的影響。
　　本研究主要內容包括：⑴采用溶膠凝膠法制備了ZrO2薄膜，研究了退火溫度對其結構、光學以及電學性能的影響，并對漏流機制進行了分析。結果表明，合適的溫度退火可以提高薄膜質量，減少薄膜缺陷。⑵采用溶膠凝膠法

4、制備了不同B濃度摻雜ZrO2薄膜，對其結構、光學以及電學進行了有效的表征，并分析了主要的漏流機制，得到了最優(yōu)化的摻雜濃度。⑶采用溶膠凝膠法制備了Ti摻雜的ZrTiOx薄膜，研究了退火溫度對其結構、光學以及電學性質的影響，并與ZrO2薄膜進行了對比，研究表明，得出Ti摻雜有效改善了界面質量，減小了器件遲滯，提高了薄膜介電常數。⑷采用溶膠凝膠法制備了不同Gd濃度摻雜的ZrO2薄膜，借助XPS有效表征了Gd∶ ZrO2/Si界面特性，并系統(tǒng)研

5、究了基于該柵介質的電學特性。研究結果表明:Gd摻雜有效抑制了SiO2生長，提高了MOS器件的性能，并得到了最佳性能的Gd元素摻雜濃度。⑸采用溶液法制備了TFT器件，其中介質層涉及到了熱氧化法生長的SiO2薄膜以及溶液法生長的高k柵介質薄膜，包括ZrOx、ZAlOx。有源層均采用溶膠凝膠法制備的In2O3、 IZO和HIZO半導體薄膜。源漏柵電極均采用熱蒸發(fā)的方式生長Al電極。測試了其輸出以及轉移曲線，并從轉移曲線計算得到了閾值電壓、載流