柔性硅基MOS电容制备及特性研究

发布时间：2020-07-04 02:58

【摘要】：近年来,半导体产业已经革命般的改变了我们的生活,但是传统的硬质器件已经难以实现一些在医疗、通信、国防等领域中非平整的工作环境下的要求,因此对于具有良好弯曲延展特性的柔性器件的需求应运而生。但是常见的有机柔性材料的电学特性相比无机半导体材料要差很多,如果可以把硅基器件与柔韧弯曲性能优良的柔性衬底相结合,就可实现高性能无机器件的柔性可弯曲。其中MOS结构是微电子器件中最重要的结构,对于硅基柔性电容的研究,可以使传统无机系统适用于非平面工作环境,适用于更加宽泛的应用领域。本文着重介绍了基于柔性衬底的硅基柔性MOS电容的器件结构的设计、转印关键工艺步骤的优化以及不同弯曲情况下的电容特性等方面展开研究。本文从以下三个方面开展了研究工作:(1)本文对器件的设计过程包括电容器件的版图设计以及关键工艺的设计。版图设计主要包括的刻蚀孔以及适用于翻转转印工艺的版图设计。工艺方面包括,对于硅基功能薄膜层的反应离子刻蚀,牺牲层的选择性湿法刻蚀,以及选择使用翻转转印的方法将硅功能薄膜层转印PET柔性衬底上。通过原子力显微镜和扫描电子显微镜的观测表明获得的硅基功能薄膜层表面完整光滑。(2)本文首先对SOI外延片进行汞探针测试,确定硅功能层的掺杂浓度。对电容进行平整状态下和在不同曲率半径的弯曲模具上进行C-V和I-V测试。平整状态下,电容的平带电压V_(FB)约为-1.1 V,与理想平带电压相差较大,证明栅介质层中大量氧化层固定电荷的存在。之后对弯曲状态下进行C-V测试。随着电容弯曲的曲率半径的减小,器件上的拉伸应力增加,电容的阈值电压和平带电压发生了明显的负向漂移,这主要是由于栅介质层产生拉伸形变从而导致了其等效厚度减小。同时发现回滞电压发生了略微减小的变化,通过计算可以得到氧化层固定电荷密度受外界应力影响不大,氧化层陷阱电荷密度会出现减小,界面陷阱密度会呈现增大趋势,从而影响柔性MOS电容的稳定性;在凹面情况下,随着压缩应力逐渐增大,由于栅介质层发生压缩形变,阈值电压和平带电压均会发生正向漂移,回滞电压减小,计算得到的栅介质层中的各种非理想电荷与平整状态的电容相比均有减小的现象,这一点是由于凹面的栅氧化层电容值变小而导致计算结果发生了偏差。(3)本文最后以6#样品为例,对硅基MOS电容的单位面积电流进行研究。并发现柔性电容的漏电流会基本上呈现随着弯曲程度的增大而减小,这主要是由于栅氧化层的陷阱电荷减小而造成的。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

第一章 绪论3图1.1 柔性电子器件在非平整环境中的应用除此之外，传统的硬质器件离不开非常厚的脆质外延层材料最为支撑，一旦受到一定的外力作用，外延层材料十分容易发生断裂，从而导致器件损坏；但是如果使用价格低廉的柔性有机材料作为器件的替换硬质外延层作为支撑，不但可以使制成的系统承受一定范围的外界应力，提高器件的可靠性，更可以降低器件制作工艺的成本，减少对半导体材料的消耗。仅 2016 年亚洲的电子废弃垃圾产生量已达到了 1820 万公吨[16]，专家预测：由于亚洲消费者器件的使用比例正在巨幅增长，不远的将来大量淘汰的电子产品中所含的大量不必要的半导体材料所带来的环境污染和资源浪费将会成为非常严重的问题。因此对于柔性无机电子系统的研究就显得至关重要，必将对人类的生活产生深远的影响。随着近年来可转印的单晶硅薄膜的发展，各种柔性衬底上的基于纳米薄膜的场效应晶体管被研制出来

西安电子科技大学硕士学位论文6图1.2 基于柔性衬底的电感和 MIM 平板电容1.4 论文的主要研究内容与结构安排本文主要研究不同曲率半径的弯曲程度，即外界施加的不同的应力对硅基柔性MOS 电容的界面特性和电流的影响。实验设计了一种垂直结构的柔性 MOS 电容，器件结构为 Au/Ti/HfO2/Al2O3/Si/Au。研究内容涉及柔性器件制作工艺流程、材料特性表征和 MOS 电容的电学特性。论文共五章，具体内容安排如下：第一章重点介绍了论文的研究意义，背景以及研究内容。介绍了当前传统硬质衬底上的无机器件在应用上遇到的瓶颈，引出发展柔性器件的意义，在比较无机柔性器件在相较于有机柔性器件所具备的优越性后，提出将无机器件与有机柔性衬底相结合的解决方案，并列举出国内外对柔性无机器件的研究现状。对于柔性无机器件的研究，MOS 结构的研究是研究柔性无机器件的基础结构

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本文编号：2740539