氧化鋯薄膜的低溫溶液制備及薄膜晶體管應(yīng)用.pdf

1、隨著集成電路的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的SiO2介電層已經(jīng)不能滿足晶體管尺寸繼續(xù)縮小的要求。因此，制備符合要求的高k介電材料是解決這個(gè)問題的一個(gè)好辦法。在眾多的高k材料中，氧化鋯因其具有較高的介電常數(shù)（K=25）和較大的帶隙(Eg=7.8eV)，被選為本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)采用紫外光照處理和光波處理兩種低溫退火方式，調(diào)整不同紫外光照處理時(shí)間和光波處理時(shí)間，同時(shí)采用高溫退火作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究不同退火方式和工藝參數(shù)對(duì)氧化鋯薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能以及

2、電學(xué)性能的影響。然后，在上述制備的介電薄膜上沉積合適的半導(dǎo)體層制備出全低溫氧化物薄膜晶體管(TFT)，通過輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線對(duì)其進(jìn)行電學(xué)性能表征。
　　首先低溫溶液法經(jīng)紫外光照處理不同時(shí)間從20min到80min制備了ZrO2薄膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。所有ZrO2薄膜均未出現(xiàn)結(jié)晶，都是無定形態(tài)，且光學(xué)透過率均高于90％。SEM和AFM表明紫外光照處理ZrO2薄膜表面均勻光滑，粗糙度低至0.23nm。XPS結(jié)果表明隨著紫外

3、處理時(shí)間的增加，薄膜中金屬氧含量從50.4％增加到了65.4％。通過制備Si/ZrO2/Au電容器，測(cè)試了ZrO2薄膜的介電性能，在3MV/cm電場(chǎng)下漏電流密度～6.0×10-8A/cm2，比高溫400℃退火ZrO2薄膜漏電流低四個(gè)數(shù)量級(jí)。在1KHz頻率下，電容為600nF/cm2，介電常數(shù)為9.7。在此基礎(chǔ)上制備的全低溫In2O3/ZrO2TFT器件，性能良好，操作電壓低至3V，遷移率為1.68cm2/Vs，開關(guān)比為105，亞閾值擺幅

4、為0.19V/dec。這些結(jié)果證明了紫外光照處理可以制備高k氧化鋯薄膜并能成功應(yīng)用于TFT中。
　　然后以ZrOCl2為前驅(qū)體溶液，低溫溶液法經(jīng)光波處理不同時(shí)間5min到40min制備了ZrO2薄膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。所有ZrO2薄膜都是無定形態(tài)且光學(xué)透過率良好。隨著光波處理時(shí)間的增長(zhǎng)，禁帶寬度逐漸增加，光波處理40min的ZrO2薄膜的禁帶寬度為5.78eV。SEM和AFM表明光波處理ZrO2薄膜表面光滑連續(xù)，粗糙度低至0.

5、30nm。XPS分析發(fā)現(xiàn)，隨著光波處理時(shí)間的增加，薄膜中金屬氧含量從47.0％增加到了73.0％。光波處理ZrO2薄膜電學(xué)性能優(yōu)異，在3MV/cm電場(chǎng)下，光波處理40min ZrO2薄膜的漏電流低至1.3×10-7A/cm2。在100Hz下，ZrO2薄膜的電容為268.1nF/cm2，介電常數(shù)為13.7。在此基礎(chǔ)上，以In2O3為半導(dǎo)體層，制備了全溶液的In2O3/ZrO2TFT。由于使用了高k介電材料，操作電壓可降至3V，遷移率高達(dá)1

6、9.4cm2/Vs，開關(guān)比高達(dá)6.4×105，閾值電壓低至0.17V，亞閾值擺幅為0.09V/dec。這些結(jié)果證明了光波處理可以制備高k氧化鋯薄膜并能成功應(yīng)用于TFT中。
　　最后以ZrO(NO3)2為前驅(qū)體溶液，低溫溶液法經(jīng)光波處理不同時(shí)間從2min到8min快速制備了ZrO2薄膜，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。光波處理時(shí)間低于6min時(shí)，ZrO2薄膜是無定形態(tài)的，光波處理8min ZrO2薄膜開始結(jié)晶。所有ZrO2薄膜透過率均高于79

7、.2％。SEM和AFM表明光波處理ZrO2薄膜表面光滑連續(xù)，粗糙度低至0.25nm。XPS分析發(fā)現(xiàn)，隨著光波處理時(shí)間的增加，薄膜中金屬氧含量從48.4％增加到了78.5％。光波處理ZrO2薄膜電學(xué)性能優(yōu)異，光波處理8minZrO2薄膜在100Hz下，電容為296.3nF/cm2，介電常數(shù)為18.1。將該薄膜應(yīng)用于In2O3/ZrO2TFT器件中，操作電壓低至3V，遷移率高達(dá)24.2cm2/Vs，開關(guān)比為6.8×106，閾值電壓為0.1V