【摘 要】
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近年来各种实验表明,Ar+轰击SrTiO3会出现准二维电子气（Q2DEG）,这使得Sr TiO3从绝缘态变为半导体成为可能。传统栅氧化物在发展过程中不能满足发展需求,高K（介电常数）栅氧化物被引起重视。HfO2具备高的介电常数,与衬底接触性好的特点,它被认为是下一代栅氧化物的替代物。本文对非晶HfO2栅介质层的经时击穿（TDDB）特性研究,并评估了非晶HfO2栅介质制备的质量。重点对非晶HfO2/
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近年来各种实验表明,Ar+轰击SrTiO3会出现准二维电子气（Q2DEG）,这使得Sr TiO3从绝缘态变为半导体成为可能。传统栅氧化物在发展过程中不能满足发展需求,高K（介电常数）栅氧化物被引起重视。HfO2具备高的介电常数,与衬底接触性好的特点,它被认为是下一代栅氧化物的替代物。本文对非晶HfO2栅介质层的经时击穿（TDDB）特性研究,并评估了非晶HfO2栅介质制备的质量。重点对非晶HfO2/晶体STO场效应晶体管特性问题进行研究,其沟道为Ar+轰击Sr Ti O3晶体产生的表面导电层,栅介质层绝缘层为射频磁控溅射制备非晶HfO2薄膜,金属电极为直流磁控溅射制备的Ti/Pt电极。本文研究内容主要有以下3个方面:1、评估栅氧化层非晶HfO2薄膜质量。首先研究Pt/HfO2/Pt样品的漏电机制。在常温下,Pt/HfO2/Pt结构的样品栅极电压在0 V～1 V之间符合空间电荷限制电流（SCLC）机理,电压在1 V～2 V之间符合肖特基发射效应。然后对非晶HfO2栅介质层进行TDDB特性研究。在温度为300 K时,电压应力为3 V、4 V和5 V下研究测试样品。通过计算表明3 V、4 V、5 V应力下,特征寿命（α）分别为15 s、40 s、265 s,形状参数（β）值分别为1.21、1.28、1.31。在电场强度在0.05 MV/cm,失效率50%下,预计工作寿命为6901 h。最后对MOS结构电容器介电常数进行修正计算,实验制备的MOS电容存在接触电阻,为扣除接触电阻的影响,利用阻抗谱和德拜弛豫计算得出修正后的介电常数。在高频时,100 K、200 K、300 K拟合前比拟合后介电常数值大,其最大差值约为0.2 F/m、0.23 F/m、0.1 F/m。2、研究非晶HfO2/晶体STO场效应晶体管性能。首先研究不同温度下Ar+轰击SrTiO3导电层的输运性质。因为Ar+轰击SrTiO3晶体表面引入氧空位,多数载流子为电子,所以Ar+轰击Sr Ti O3晶体为n型导电。测试温度为4 K～300 K,随着温度的增加,载流子浓度数据在1014 cm-3～1015 cm-3之间增加;样品载流子的迁移率也降低,这导致样品的导电性增高。迁移率从4 K的1005 cm~2V-1s-1降低到300K的2.5 cm~2V-1s-1。然后对样品的场效特性曲线进行分析,测试温度为100 K、200K和300 K。观察样品的IDS-VDS曲线可知样品金-半接触均为欧姆接触。对样品的转移特性曲线和输出特性曲线分析表明,随着温度降低,器件的开关比从300 K的10~5降低到100 K的10~3,阈值电压飘移距离小于2 V,这是氧化物的共同特性。温度的降低,场效应迁移率也在减少,亚阈值摆幅同时也在减少,说明栅压对沟道的控制能增强。最后对样品稳定性测试,温度为100 K、200 K和300 K,测试10次后稳定,测试前后阈值漂移小于1 V。由此可见,实验制备的非晶HfO2/晶体STO场效应晶体管在同一温度下相对稳定。3、研究场效应晶体管的C-V特性。制备与非晶HfO2/晶体STO场效应晶体管相同工艺的MOS电容。在温度为100 K、200 K和300 K时,氧空位等效掺杂浓度分别为2.99×1019 cm-3、5.50×1018 cm-3、7.94×1017 cm-3。LCR测试的C-V曲线为典型的MOSFET电容器C-V曲线。不同温度,同一频率下,栅极偏压绝对值不断增加,电容值不断减小,C-V曲线的回滞窗口也呈现增加的趋势。由于VGS增加时,外加偏压会使耗尽区扩大,Ar+轰击SrTiO3形成的导电区变窄,掺杂浓度也逐渐降低。
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