氧化铝薄膜原子层沉积制备及其介电性能研究

发布时间：2020-07-25 12:22

【摘要】：随着场效应晶体管向纳米级尺度发展,传统热氧化的Si O2栅介质层由于厚度限制导致器件漏电流较大的问题凸显,急需开发性能优异的高介电薄膜材料。本论文采用原子层沉积技术制备氧化铝薄膜材料,并通过构建Al_2O_3/HfO2/Al_2O_3纳米堆叠结构改善其介电性能,为高介电材料性能提高及器件化应用提供理论基础与技术支持。采用原子层沉积技术制备了Al_2O_3薄膜,探究沉积温度和三甲基铝(TMA)脉冲时间等工艺参数、薄膜厚度及退火温度等条件对Al_2O_3薄膜介电性能的影响规律。采用XRD、XPS、AFM、LCR电桥等测试方法对薄膜的结构和电学性能进行表征,确定当工艺参数为沉积温度225℃、TMA脉冲时间0.3 s、循环周期300 cycle时沉积的薄膜介电性能最好。退火温度对Al_2O_3薄膜介电性能影响较大,当退火温度为500℃时,介电常数为8.15,漏电流最小,在3 V电压下漏电流为6.12×10-8 A/cm2。在Al_2O_3薄膜的基础上,制备了Al_2O_3/HfO2/Al_2O_3纳米堆叠结构的复合膜层,探究叠层结构薄膜表面形貌、组成和环次比对其介电性能的影响规律。研究结果表明,采用纳米堆叠结构可提高薄膜的介电性能,确定Al_2O_3/Hf O2/Al_2O_3最佳比例为1:2:1。与Al_2O_3薄膜相比,介电常数由8.15提升至10.28,同时对漏电流起到有效的抑制作用,在3 V电压下,漏电流由6.12×10-8 A/cm2降低至2.37×10-8 A/cm2。介电性能的提高归因于氧化铪薄膜具有较高的介电常数,在相同条件下,纳米堆叠结构的薄膜具有更高的等效氧化层厚度,有利于减小漏电流,从而提高薄膜的介电性能。将Al_2O_3/Hf O2/Al_2O_3循环比为1:2:1的薄膜作为介电层应用到以Zn O为有源层的晶体管中,结果显示该纳米堆叠结构的介电层在晶体管中能起到良好的调控效果,电流开关比为106,关态电流为10-11 A,器件功耗较低,明显提高器件性能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2;TQ133.1
【图文】：

反应过程

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文原子层沉积的过程中，一个生长循环可分为六个步骤：（1）清洗基体表面表面羟基化；（2）第一种前躯体通过脉冲被载气带入到反应腔体中，在基面上进行饱和化学吸附并发生反应，生成该前驱体的一层单原子层；（3）性载气净化反应腔，清除未反应的前驱体和反应的副产物；（4）第二种前通入腔体中并与表面分子发生反应，形成新的原子层，同时生成相应的副；（5）再次通入惰性气体，将未反应的前驱体及副产物清扫干净；（6）该反应过程可形成所需薄膜[50,51]。上述过程构成一个反应周期[52]，其中 A反应过程如图 1-1 所示。

氧化铝薄膜原子层沉积制备及其介电性能研究

ALD工作窗口[53]

示意图,沉积系统,原子层,设备

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文（2）介电常数测试本论文采用 TH2827C 型 LCR 电桥，在 1 M测量得到 1 V 电压下薄膜的电容值，由公式计算出薄膜的介电常数。频率：20 Hz~1 MHz，电容显示范围：0.00001 pF~9.99999 F。（3）漏电流测试本论文采用具有高精度的 Kekhley 4200-SCS 半平台对薄膜的漏电流进行测试，测试电压范围选取 0~3 V。原子层沉积氧化铝薄膜的制备.1 原子层沉积系统原子层沉积系统的基本结构主要由源脉冲式输运系统、反应室、机械及温度控制系统等部分组成。设备示意图如图 2-1 所示。

【参考文献】