ZnMgO纳米薄膜在MOSFET和透明TFT中的应用

论文摘要

日益增长的信息技术对超高集成度、高速、低功耗集成电路的需求，驱使晶体管的尺寸越来越小，随之而来的问题是作为MOS栅氧化物和DRAM电容介质的SiO2迅速减薄至物理极限。另一方面，新材料的应用推动薄膜晶体管（TFT）平板显示技术迅猛发展。由此，我们对纳米ZnMgO薄膜在MOS晶体管和透明TFT的应用进行了多方面的探索研究，取得如下创新性结果： 1) ZnMgO纳米薄膜的生长与材料结构采用物理蒸发低温沉积系统（PELD）在不同衬底上，包括玻璃，石英和硅，制备了不同晶相的ZnMgO薄膜。因为生长温度低，生长的ZnMgO／衬底界面清晰，没有明显的氧化物过渡层。在氧气气氛下，经过400～700℃退火的薄膜，XRD测试半峰宽均小于0.4°，说明薄膜晶体具有良好的结晶性和热稳定性。 2) Al／C-ZnMgO／Si MIS结构电学性能和热稳定性 制备立方相C-ZnMgO MIS结构研究其电学性能。在1MHz测试频率下，C-ZnMgO材料的介电常数为10.5；大于1MHz，介电常数随频率增加而逐渐明显降低。通过电容—电压（I-V）和电流—电压（C-V）特性测试，我们研究了不同退火温度对MIS结构性能的影响。经过550～900℃退火处理的C-ZnMgO MIS结构的漏电流密度降低了3个数量级。发现550℃退火的C-ZnMgO薄膜中可动离子缺陷密度最小，这是因为退火后薄膜中的杂质缺陷得到有效的复合。高温900℃退火的薄膜有最好的界面特性结果，界面处形成了硅酸盐化合物MgSixOy，进而提高了界面质量。但是薄膜中杂质缺陷增加。这可能是因为在900℃下Zn离子与O离子从ZnMgO薄膜中析出并且向表面移动，从而增加了薄膜中的缺陷，与此同时，界面处有硅酸盐化合物MgSixOy的形成从而提高了界面质量。这些材料结构与电学性能的研究有助于推动C-ZnMgO在MOSFET工艺中的应用。

论文目录

• 第一章 高κ介质材料及新器件的研究
• 1.1 引言
• 1.2 MOS场效应晶体管
• 2减薄的问题'>1.2.1 MOSFET栅介质层SiO₂减薄的问题
• 1.2.2 κ材料的要求与选择
• 1.2.3 栅氧化物与硅界面
• 1.2.4 金属氧化物栅介质材料研究现状
• 1.3 薄膜晶体管TFT
• 1.3.1TFT的应用领域—TFT-LCD显示器
• 1.3.2 TFT的应用领域—TFT-AMOLED显示器
• 1-xMg_xO薄膜的基本结构与研究状况'>1.4 Zn_1-xMg_xO薄膜的基本结构与研究状况
• 1.5 ZnO基薄膜的制备方法
• 1.5.1 溅射法（sputtering）
• 1.5.2 脉冲激光沉积（PLD／PED）
• 1.5.3 分子束外延（MBE）
• 1.5.4 电子束蒸发沉积（ED）
• 1.6 本论文的主要研究内容及其意义
• 第二章 立方相ZnMgO高κ栅介质材料的研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料制备
• 2.3 C-ZnMgO薄膜结构表征
• 2.3.1 SEM剖面形貌表征
• 2.3.2 XRD结构分析
• 2.3.3 TEM分析
• 2.3.4 X射线光电子能谱（XPS）界面与能带分析
• 2.3.5 紫外—近红外透射光谱测试
• 2.4 C-ZnMgO MIS结构介电表征
• 2.4.1 介电常数κ的测试
• 2.4.2 介电性能
• 2.5 C-ZnMgO薄膜MIS结构漏电性能研究
• 2.6 C-ZnMgO薄膜MIS结构退火性能研究
• 2.6.1 AES深度元素分析
• 2.6.2 C-V电学测试
• 2.6.3 I-V电学测试
• 2.7 小结
• 第三章 C-ZnMgO应用于MOS器件的工艺探索
• 3.1 引言
• 3.2 ZnMgO MOS器件
• 3.2.1 MOSFET制造工艺
• 3.2.2 MOSFET性能研究
• 3.3 工艺流程中存在的问题
• 3.4 小结
• 第四章 Medici模拟高κ栅介质材料的MOS器件性能
• 4.1 引言
• 4.2 Medici模拟软件介绍
• 4.3 高κ体硅MOS器件模拟
• 4.3.1 Medici模拟的基本器件结构和主要参数
• 4.3.2 高κ体硅MOS器件性能模拟
• fc与D_it对高κ体硅MOS器件性能的影响'>4.3.3 D_fc与D_it对高κ体硅MOS器件性能的影响
• 4.3.4 3μm线宽的MOS器件性能模拟
• 4.4 小结
• 第五章 ZnMgO透明薄膜晶体管研究
• 5.1 引言
• 5.2 TFT晶体管简介
• 5.3 TFT晶体管电流电压特征方程
• 5.3.1 非饱和区的电压-电流特性
• 5.3.2 饱和区的电压-电流特性
• 5.3.3 TFT晶体管的主要参数
• 5.4 TFT晶体管有源层ZnMgO材料的研究
• 5.4.1 ZnMgO材料XRD结构表征
• 5.4.2 紫外—近红外透射光谱
• 5.5 ZnMgO生长工艺及TFT流片工艺
• 5.5.1 材料制备
• 5.5.2 ZnMgO TFT工艺
• 5.6 器件性能电学表征
• 5.6.1 TFT器件电学表征—C-V曲线
• 5.6.2 TFT器件电学表征—I-V特性
• 5.7 小结
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 目标展望
• 参考文献
• 发表论文及申请专利目录
• 致谢
• 简历