【摘要】：隨著場(chǎng)效應(yīng)晶體管向納米級(jí)尺度發(fā)展,傳統(tǒng)熱氧化的Si O2柵介質(zhì)層由于厚度限制導(dǎo)致器件漏電流較大的問題凸顯,急需開發(fā)性能優(yōu)異的高介電薄膜材料。本論文采用原子層沉積技術(shù)制備氧化鋁薄膜材料,并通過構(gòu)建Al_2O_3/HfO2/Al_2O_3納米堆疊結(jié)構(gòu)改善其介電性能,為高介電材料性能提高及器件化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。采用原子層沉積技術(shù)制備了Al_2O_3薄膜,探究沉積溫度和三甲基鋁(TMA)脈沖時(shí)間等工藝參數(shù)、薄膜厚度及退火溫度等條件對(duì)Al_2O_3薄膜介電性能的影響規(guī)律。采用XRD、XPS、AFM、LCR電橋等測(cè)試方法對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能進(jìn)行表征,確定當(dāng)工藝參數(shù)為沉積溫度225℃、TMA脈沖時(shí)間0.3 s、循環(huán)周期300 cycle時(shí)沉積的薄膜介電性能最好。退火溫度對(duì)Al_2O_3薄膜介電性能影響較大,當(dāng)退火溫度為500℃時(shí),介電常數(shù)為8.15,漏電流最小,在3 V電壓下漏電流為6.12×10-8 A/cm2。在Al_2O_3薄膜的基礎(chǔ)上,制備了Al_2O_3/HfO2/Al_2O_3納米堆疊結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜層,探究疊層結(jié)構(gòu)薄膜表面形貌、組成和環(huán)次比對(duì)其介電性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,采用納米堆疊結(jié)構(gòu)可提高薄膜的介電性能,確定Al_2O_3/Hf O2/Al_2O_3最佳比例為1:2:1。與Al_2O_3薄膜相比,介電常數(shù)由8.15提升至10.28,同時(shí)對(duì)漏電流起到有效的抑制作用,在3 V電壓下,漏電流由6.12×10-8 A/cm2降低至2.37×10-8 A/cm2。介電性能的提高歸因于氧化鉿薄膜具有較高的介電常數(shù),在相同條件下,納米堆疊結(jié)構(gòu)的薄膜具有更高的等效氧化層厚度,有利于減小漏電流,從而提高薄膜的介電性能。將Al_2O_3/Hf O2/Al_2O_3循環(huán)比為1:2:1的薄膜作為介電層應(yīng)用到以Zn O為有源層的晶體管中,結(jié)果顯示該納米堆疊結(jié)構(gòu)的介電層在晶體管中能起到良好的調(diào)控效果,電流開關(guān)比為106,關(guān)態(tài)電流為10-11 A,器件功耗較低,明顯提高器件性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.2;TQ133.1
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文原子層沉積的過程中，一個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)可分為六個(gè)步驟：（1）清洗基體表面表面羥基化；（2）第一種前軀體通過脈沖被載氣帶入到反應(yīng)腔體中，在基面上進(jìn)行飽和化學(xué)吸附并發(fā)生反應(yīng)，生成該前驅(qū)體的一層單原子層；（3）性載氣凈化反應(yīng)腔，清除未反應(yīng)的前驅(qū)體和反應(yīng)的副產(chǎn)物；（4）第二種前通入腔體中并與表面分子發(fā)生反應(yīng)，形成新的原子層，同時(shí)生成相應(yīng)的副；（5）再次通入惰性氣體，將未反應(yīng)的前驅(qū)體及副產(chǎn)物清掃干凈；（6）該反應(yīng)過程可形成所需薄膜[50,51]。上述過程構(gòu)成一個(gè)反應(yīng)周期[52]，其中 A反應(yīng)過程如圖 1-1 所示。

ALD工作窗口[53]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文（2）介電常數(shù)測(cè)試 本論文采用 TH2827C 型 LCR 電橋，在 1 M測(cè)量得到 1 V 電壓下薄膜的電容值，由公式計(jì)算出薄膜的介電常數(shù)。頻率：20 Hz~1 MHz，電容顯示范圍：0.00001 pF~9.99999 F。（3）漏電流測(cè)試 本論文采用具有高精度的 Kekhley 4200-SCS 半平臺(tái)對(duì)薄膜的漏電流進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電壓范圍選取 0~3 V。 原子層沉積氧化鋁薄膜的制備.1 原子層沉積系統(tǒng)原子層沉積系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要由源脈沖式輸運(yùn)系統(tǒng)、反應(yīng)室、機(jī)械及溫度控制系統(tǒng)等部分組成。設(shè)備示意圖如圖 2-1 所示。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王瑩;楊靜;袁寧一;丁建寧;夏麗;譚成邦;;原子層沉積氧化鋁薄膜摩擦學(xué)性能研究[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2013年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 馬飛;高k柵介質(zhì)MOS器件的特性模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D];西安電子科技大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 付盈盈;高介電薄膜材料的原子層沉積技術(shù)制備、表征及其在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D];南京大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2769823