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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1、分类号：O41密级：UDC：530学校代码：11065硕士学位论文溶液法制备氧化铪介电层及其在薄膜晶体管中的应用张丰指导教师单福凯教授学科专业名称物理学论文答辩日期2016年6月4日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（SiO2）介电层的厚度将减小到2.5nm。随着集成度的进一步提高，SiO2介电层的厚度将小于2nm，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

2、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（HfOx）具有较高的介电常数（25）和较大的禁带宽度（5.8eV），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

3、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1×10-9A/cm2。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-HfOx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5V，场效应迁移率为36.9cm2/Vs，阈值电压为1.8V，亚阈值摆幅为0.38V/dec，器

4、件的电流开关比为109。最后又对HfAlOx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IAbstractWiththedevelopmentofintegratedcircuit,thelevelofintegrationisincreasing,andthusthesizeofTFTisdecreasing.Whenthescaleofma

5、nufacturingtechniqueofthesilicon-basedtransistorreachesto0.13μm,thethicknessofdielectriclayerofsilica(SiO2)willreduceto2.5nm.Whenthethicknessofsilicondioxide(SiO2)inTFTisdecreasedto2nm,thecurrenttunnelingeffectbecomesserious.Therearetwowaystosolvethispr

6、oblem:changingthestructureofTFTorfindinganalternativehigh-kgatedielectricmaterial.Thinfilmtransistor(TFT)isakindoffieldeffecttransistor,whichisthecoredeviceofliquidcrystaldisplay(LCD)andorganiclightemittingdisplay(OLED).Inthispaper,wewillresearchthephys

7、icalpropertyandannealingeffectsofsolution-processedhighkmaterialinTFT.Amongthesehigh-kmaterials,hafniumoxide(HfOx)isregardedasagoodcandidateduetoitshighdielectricconstantof25,widebandgapof5.8eV.Inthiswork,HfOxdielectricfilmswerefabricatedbyusingspin-coa

8、tingmethod.ThepropertiesofHfOxthinfilmswerestudiedbyatomicforcemicroscope(AFM),fouriertransforminfraredspectrum(FT-IR)andX-rayphotoelectronspectroscopy(XPS).TheannealingeffectsonthemicrostructuralandelectricalpropertiesofHfOxthin