鉿基高K柵介質(zhì)薄膜的制備及其器件性能研究.pdf

1、隨著大規(guī)模集成電路集成度的不斷提高，器件尺寸不斷減小，傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)達(dá)到了其物理極限，大的隧穿電流和高功耗嚴(yán)重影響了器件的穩(wěn)定性和使用壽命，利用高介電常數(shù)(k)材料取代傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)可以很好地解決這些問題。HfO2作為合適的候選者之一，具有較高的介電常數(shù)、大的禁帶寬度和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性。但是，HfO2本身也存在些致命缺陷，例如低晶化溫度和高的氧或雜質(zhì)滲透，嚴(yán)重制約了其在金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)器件(Complementary

2、 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors，CMOSFETs)中的應(yīng)用。薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)是平板顯示的核心器件，利用高k材料替代傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)，不僅可以提高器件性能還可以降低功耗。因此，獲得高質(zhì)量的高k柵介質(zhì)薄膜顯得尤為重要，本文探究了Hf基高k柵介質(zhì)薄膜的制備及其器件性能，通過摻雜（釓、鋁）和退火處理等方式改善HfO2薄膜的性

3、能，探究了其應(yīng)用在CMOS和TFT器件中的性能，主要內(nèi)容與結(jié)論分為如下三個方面:
　　1.利用濺射法制備了MoS2/HfO2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，將稀土元素Gd摻入HfO2，探究了摻雜前后異質(zhì)結(jié)界面處能帶排列的變化。研究結(jié)果表明:釓摻入后，薄膜帶隙增大。在MoS2/HfO2異質(zhì)結(jié)中，價(jià)帶偏移(△Ev)和導(dǎo)帶偏移(△Ec)分別為2.31eV和2.43eV;釓摻入后，價(jià)帶偏移變?yōu)?.12eV，導(dǎo)帶偏移變?yōu)?.91eV。增加的△Ec有利于應(yīng)用在n

4、型MoS2基FETs中抑制柵極漏流。
　　2.利用溶液法制備了Gd摻雜的HfO2(HfGdO)薄膜，研究了退火溫度對其微結(jié)構(gòu)、帶隙、界面和電學(xué)性質(zhì)的影響。測試結(jié)果表明:HfGdO薄膜在600℃才開始出現(xiàn)結(jié)晶峰，表明Gd-摻雜有效提高了HfO2的結(jié)晶溫度。隨著退火溫度的升高，帶隙增大，界面處的價(jià)帶偏移增加，導(dǎo)帶偏移減小;同時(shí)退火也導(dǎo)致了HfGdO柵介質(zhì)薄膜介電常數(shù)增加，遲滯減小，邊界陷阱密度減小，表明退火有效抑制了邊界陷阱的產(chǎn)生。但

5、結(jié)晶的出現(xiàn)以及△Ec的減小導(dǎo)致了高溫時(shí)HfGdO薄膜漏電流的增加。
　　3.利用全溶液法制備了以HfAlO為絕緣層，InZnO為有源層的TFT器件，首先探究了不同退火溫度對HfAlO薄膜的影響，600℃退火的HfAlO薄膜仍舊保持非晶狀態(tài)，600℃退火的HfAlO薄膜具有高的光學(xué)透過率、低的漏電流密度和光滑的表面。光電子能譜測試表明退火處理減少了薄膜中的氧空位和結(jié)合氧。以450℃退火的InZnO和600℃退火的HfAlO制備的TF