溶液法制备氧化铪介电层及其在薄膜晶体管中的应用

发布时间：2017-08-10 10:32

  本文关键词：溶液法制备氧化铪介电层及其在薄膜晶体管中的应用

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【摘要】：随着集成电路的发展,芯片的集成度越来越高,导致芯片中场效应晶体管的特征尺寸逐渐减小。当传统的硅基晶体管的工艺节点达到0.13μm时,二氧化硅(SiO_2)介电层的厚度将减小到2.5 nm。随着集成度的进一步提高,SiO_2介电层的厚度将小于2 nm,此时电流隧穿效应引起的漏电流将使场效应晶体管无法正常工作。目前,为了解决这个问题,可以通过改变场效应晶体管的结构或使用高k材料替代二氧化硅。薄膜晶体管(TFT)是场效应晶体管的一种,是液晶显示器(LCD)和有机发光显示器(OLED)中的核心元件,本文将以TFT为例来探究溶液法制备的高k介电层对场效应晶体管的影响。在众多高k材料中,氧化铪(HfO_x)具有较高的介电常数(25)和较大的禁带宽度(5.8 eV),适合作为TFT的介电层材料。本文采用溶液法在硅片上制备出不同退火温度的氧化铪薄膜,并通过原子力显微镜(AFM),傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)等对不同退火温度下的氧化铪薄膜进行表征。实验发现,退火温度为500℃的氧化铪薄膜表现出较好的绝缘特性,当电场强度为4.5MV/cm时,漏电流密度仍低于1×10~(-9)A/cm~2。为了验证溶液法制备的氧化铪薄膜可以应用于薄膜晶体管中,通过磁控溅射技术制备了氧化铟锌(IZO)沟道层,集成了完整的TFT器件。通过测试IZO-HfO_x薄膜晶体管的电学性质,发现当氧化铪薄膜的退火温度为500℃时薄膜晶体管的性能最好,其操作电压为5 V,场效应迁移率为36.9 cm~2/V s,阈值电压为1.8 V,亚阈值摆幅为0.38 V/dec,器件的电流开关比为109。最后又对HfAlO_x混合介电层进行了研究。本文实验结果表明,溶液法制备的高k氧化铪薄膜具有较好的介电特性,是TFT介电层的理想材料,这为将来大面积、低成本生产高性能TFT奠定了基础。
【关键词】：薄膜晶体管 氧化铪 介电层 溶液法
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-6
• 引言6-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 薄膜晶体管的研究背景8-12
• 1.1.1 薄膜晶体管的发展8-9
• 1.1.2 薄膜晶体管的应用9-12
• 1.2 高k介电层的研究现状12-16
• 1.3 本文主要研究内容和章节安排16-18
• 第二章 薄膜晶体管的原理与参数18-27
• 2.1 薄膜晶体管的结构与原理18-24
• 2.1.1 薄膜晶体管的基本结构18-21
• 2.1.2 薄膜晶体管的工作原理21-23
• 2.1.3 薄膜晶体管中的载流子输运23-24
• 2.2 薄膜晶体管的性能参数24-27
• 2.2.1 场效应迁移率(μ_(FE))24-25
• 2.2.2 电流开关比(I_(on)/I_(off))25
• 2.2.3 阈值电压(V_(TH))25-26
• 2.2.4 亚阈值摆幅(SS)26
• 2.2.5 最大界面态密度(N_s~(max))26-27
• 第三章 薄膜和器件的制备27-34
• 3.1 薄膜的制备工艺27-30
• 3.1.1 磁控溅射27-29
• 3.1.2 旋转涂覆29
• 3.1.3 热蒸发29-30
• 3.2 HfO_x薄膜的制备30-31
• 3.2.1 衬底清洗30-31
• 3.2.2 溶液配制31
• 3.2.3 旋转涂覆31
• 3.2.4 薄膜退火31
• 3.3 IZO-HfO_x薄膜晶体管的制备31-33
• 3.3.1 器件结构31-32
• 3.3.2 制备铟锌氧半导体层32
• 3.3.3 制备电极32-33
• 3.3.4 器件退火33
• 本章小结33-34
• 第四章 薄膜及器件的性能测试34-46
• 4.1 薄膜的表征方法34-35
• 4.1.1 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)34
• 4.1.2 X射线衍射(XRD)34-35
• 4.1.3 原子力显微镜(AFM)35
• 4.2 氧化铪薄膜的表征35-40
• 4.2.1 表面形貌35-36
• 4.2.2 透过率36-37
• 4.2.3 傅里叶变换红外光谱37-38
• 4.2.4 X射线光电子能谱(XPS)38
• 4.2.5 漏电流特性38-39
• 4.2.6 电容特性39-40
• 4.3 IZO-HfO_x薄膜晶体管的性能测试40-42
• 4.4 HfAlO_x混合介电层研究42-45
• 4.4.1 HfAlO_x混合介电层的研究背景42
• 4.4.2 HfAlO_x混合介电层的制备42-43
• 4.4.3 HfAlO_x混合介电层的电学性质43-45
• 本章小结45-46
• 第五章 工作总结与展望46-47
• 参考文献47-52
• 攻读学位期间的研究成果52-53
• 致谢53-54

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